DE102011055836A1

DE102011055836A1 - Verfahren und Einrichtung für Dichtungsringe

Info

Publication number: DE102011055836A1
Application number: DE102011055836A
Authority: DE
Inventors: Binayak Roy; Hrishikesh Vishvas Deo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-05-31
Also published as: FR2968032A1; JP2012117671A; RU2598620C2; FR2968032B1; US20120133101A1; RU2011149183A; US8628092B2; JP5923283B2

Abstract

Geschaffen ist eine Dichtungsanordnung (32) für ein Turbomaschine (10). Die Turbomaschine (10) weist ein stationäres Gehäuse (18) und ein Laufrad (20) auf, das um eine Achse (22) drehbar ist. Zu der Dichtungsanordnung (32) gehören mehrere gekrümmte Dichtungsringsegmente (46), die zwischen dem Laufrad (20) und dem stationären Gehäuse (18) angeordnet sind, und mehrere Segmentezwischenspalte (70), die zwischen den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten (46) angeordnet sind. Die mehreren Segmentezwischenspalte (70) sind unter einem ersten Winkel (56) gegenüber einer radialen Achse (42) des Laufrads (20) geneigt und sind in einer Bewegungsrichtung der mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmente (46) geneigt. Die Dichtungsanordnung (32) enthält außerdem ein Vorspannelement (48), das zwischen dem stationären Gehäuse (18) und den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmente (46) angeordnet und mit beiden verbunden ist.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die hier beschriebene Erfindung betrifft das Gebiet von Dichtungen, die in Turbinen verwendet werden. Spezieller betrifft die hier beschriebene Erfindung eine Dichtung zur Anwendung an der Grenzfläche einer rotierenden Komponente, beispielsweise eines Laufrads in einer Turbine oder eines Verdichter, und einer stationären Komponente, beispielsweise eines Gehäuses oder Stators.
Dichtungen, die in Gasturbinen, Dampfturbinen, Flugzeugtriebwerken, Verdichtern und sonstigen Turbinensystemen genutzt werden, sind anfällig für übermäßigen Leckstrom, da ein Laufradtoleranzabstand möglicherweise ausreichend groß bemessen ist, um dazu beizutragen, ein Reiben des Laufrads an der Dichtung zu verhindern. Falls das Laufrad die Dichtung tatsächlich berührt, was als Laufradreiben bezeichnet wird, kann die Dichtung beschädigt werden, was danach zu einer noch weiteren Vergrößerung des Toleranzabstands führt. Speziell kann Laufradreiben in einer Gasturbine während einer Anzahl von Laufradeinschwingvorgängen auftreten; beispielsweise sind dies: eine dynamische Anregung des Laufrads, eine relative thermische Verformung des Laufrads und Stators, oder eine Verschiebung der Laufradmittelachse aufgrund des mit steigender Drehzahl sich entwickelnden hydrodynamischen Gleitfilms in den Traglagern. Eine Durchbiegung kann auftreten, wenn eine Gasturbine, z. B. während des Hochfahrens, kritische Drehzahlen durchschreitet. Durch thermisch unterschiedliche Eigenschaften verschiedener Komponenten im Innern der Gasturbine kann eine Verformung hervorgerufen werden. Zwischen der Dichtung und dem Laufrad ist ein großer Toleranzabstand erforderlich, da die Dichtung möglicherweise nicht in der Lage ist, während der Laufradeinschwingvorgänge ihren Toleranzabstand anzupassen, nachdem sie mit dem Stator starr verbunden sein kann. Die Toleranzabstände zwischen rotierenden und stationären Komponenten von Gasturbinen können sowohl den Wirkungsgrad als auch die Leistung der Turbine beeinträchtigen. In der Konstruktion von Gasturbinen erlauben enge Toleranzabstände zwischen Komponenten eine Steigerung des Wirkungsgrads. In anderen Turbinensystemen, beispielsweise Dampfturbinen, Flugzeugtriebwerken oder Verdichtern, treten ähnliche Laufradeinschwingvorgänge auf, und die Einschwingvorgänge lassen sich häufig nur schwer berechnen.
Darüber hinaus können Dichtungen mit einem Überdruckdichtungsring (VCPPP), der einen variablen Toleranzabstand aufweist, konstruiert sein, der die Dichtung mittels einer Feder von dem Laufrad weg in Richtung eines großen Toleranzabstands vorspannt. Dies trägt dazu bei, ein Laufradreiben im Verlauf von Laufradeinschwingvorgängen des Hochfahrens zu verhindern. Wenn die Druckdifferenz über die Dichtung hinweg einen gewissen Wert überschreitet, bewirken die auf den VCPPP-Ring ausgeübten Kräfte, dass dieser sich in Richtung eines geringen Laufradtoleranzabstands schließt.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden sind spezielle Ausführungsbeispiele gemäß dem Gegenstand der ursprünglich vorliegenden Erfindung zusammenfassend beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sollen den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht beschränken, vielmehr sollen diese Ausführungsbeispiele lediglich eine Kurzbeschreibung möglicher Ausprägungen der Erfindung geben. In der Tat kann die Erfindung vielfältige Ausprägungen abdecken, die den nachstehend dargelegten Ausführungsbeispielen ähneln oder sich von diesen unterscheiden können.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist eine Dichtungsanordnung für eine Turbomaschine geschaffen. Die Turbomaschine weist ein stationäres Gehäuse und ein um eine Achse drehbares Laufrad auf. Die Dichtungsanordnung enthält mehrere gekrümmte Dichtungsringsegmente, die zwischen dem Laufrad und dem stationären Gehäuse angeordnet sind, und mehrere Segmentezwischenspalte, die zwischen den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten angeordnet sind. Die mehreren Segmentezwischenspalte sind gegenüber einer radialen Achse des Laufrads unter einem ersten Winkel geneigt und sie sind in eine Bewegungsrichtung der mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmente geneigt. Die Dichtungsanordnung enthält ferner ein Vorspannelement, das zwischen dem stationären Gehäuse und den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten angeordnet und mit beiden verbunden ist.
In einem zweitem Ausführungsbeispiel ist eine Dichtungsanordnung für eine Turbomaschine geschaffen. Die Turbomaschine weist ein stationäres Gehäuse und ein um eine Achse drehbares Laufrad auf. Die Dichtungsanordnung enthält mehrere gekrümmte Dichtungsringsegmente, die zwischen dem Laufrad und dem stationären Gehäuse angeordnet sind, und mehrere Segmentezwischenspalte, die zwischen den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten angeordnet sind. Die mehreren Segmentezwischenspalte sind entlang einer radialen Achse des Laufrads angeordnet. Die Dichtungsanordnung enthält ferner mehrere Vorspannelemente, die zwischen dem stationären Gehäuse und den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten angeordnet und mit beiden verbunden sind. Die mehreren Vorspannelemente sind entlang der Achse des Laufrads betrachtet V-förmig und sie sind mit den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten symmetrisch verbunden.
In einem dritten Ausführungsbeispiel ist ein Segment einer entlang des Umfangs segmentierten Dichtungsanordnung geschaffen, das dazu eingerichtet ist, zwischen einem Laufrad und einem stationären Gehäuse angeordnet zu werden. Das Segment enthält ein gekrümmtes Dichtungsringsegment, das Radialflächen aufweist, die gegenüber einer radialen Achse des gekrümmten Dichtungsringsegments unter einem ersten Winkel geneigt sind und die dazu eingerichtet sind, zwischen dem Laufrad und dem stationären Gehäuse angeordnet zu werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind:
1 zeigt in einer Querschnittsansicht ein Turbinensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht einen Dichtungsbereich eines Turbinensystems, wie es in 1 gezeigt ist, das eine Dichtungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;
3 zeigt in einem Ausschnitt eine radiale Schnittansicht einer Dichtungsanordnung mit geradlinigen Segmentezwischenspalten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt in einem Ausschnitt eine radiale Schnittansicht einer Dichtungsanordnung mit gekrümmten Segmentezwischenspalten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt in einem Ausschnitt eine radiale Schnittansicht von Festkörpergelenken mit nachgiebigen Verbindungen, die in einer Dichtungsanordnung eingebaut sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht einen Dichtungsbereich eines Turbinensystems, wie es in 1 gezeigt ist, das eine Dichtungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;
7 zeigt eine Draufsicht einer Dichtungsanordnung, die Segmentezwischenspalte enthält, die gegenüber einer axialen Achse des Laufrads geneigt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt eine Draufsicht einer Dichtungsanordnung, die Segmentezwischenspalte enthält, die in einer axialen Richtung nicht geradlinig sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Dichtungsanordnung für eine Turbomaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden ein oder mehrere spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem Bemühen, eine kurzgefasste Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele vorzulegen, sind möglicherweise nicht sämtliche Merkmale einer tatsächlichen Verwirklichung in der Beschreibung aufgeführt. Es sollte verständlich sein, dass bei der Entwicklung einer jeden solchen Verwirklichung, wie in jedem technischen oder konstruktiven Projekt, zahlreiche anwendungsspezifische Entscheidungen zu treffen sind, um spezielle Ziele der Entwickler zu erreichen, z. B. Konformität mit systembezogenen und wirtschaftlichen Beschränkungen, die von einer Verwirklichung zur anderen unterschiedlich sein können. Darüber hinaus sollte es verständlich sein, dass eine solche Entwicklungsbemühung komplex und zeitraubend sein könnte, jedoch nichtsdestoweniger für den Fachmann, der über den Vorteil dieser Beschreibung verfügt, eine Routinemaßnahme der Entwicklung, Fertigung und Herstellung bedeuten würde.
Wenn Elemente vielfältiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die unbestimmten und bestimmten Artikel ”ein” ”eine”, bzw. ”der, die, das” und dergleichen das Vorhandensein von mehr als einem Element einschließen. Die Begriffe ”umfassen”, ”enthalten” und ”aufweisen” sind als einschließend zu verstehen und bedeuten, dass möglicherweise zusätzliche Elemente vorhanden sind, die sich von den aufgelisteten Elementen unterscheiden.
1 zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines Turbinensystems 10 oder einer Turbomaschine, das vielfältige Komponenten enthalten kann, von denen einige aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist das Gasturbinensystem 10 einen Verdichterabschnitt 12, einen Brennkammerabschnitt 14 und einen Turbinenabschnitt 16 auf. Der Turbinenabschnitt 16 weist ein stationäres Gehäuse 18 und ein rotierendes Element 20 oder Laufrad auf, das um eine Achse 22 rotiert. An dem rotierenden Element 20 sind sich bewegende Schaufeln 24 angebracht, und an dem stationären Gehäuse 18 sind stationäre Schaufeln 26 angebracht. Die sich bewegenden Schaufeln 24 und die stationären Schaufeln 26 sind in der axialen Richtung abwechselnd angeordnet. Es gibt mehrere mögliche Positionen, an denen Dichtungsanordnungen mit Segmentezwischenspalten gemäß vielfältigen Ausführungsbeispielen eingebaut werden können, z. B. eine Position 28 zwischen der ummantelten sich bewegenden Schaufel 24 und dem stationären Gehäuse 18, eine Position 30 zwischen dem rotierenden Element 20 und der stationären Schaufel 26, oder eine Endpackungdichtungsposition 32 zwischen dem rotierenden Element 20 und dem stationären Gehäuse 18.
Die hierin beschriebene Dichtungsanordnung stellt eine Konstruktion bereit, die es Segmenten der Dichtungsanordnung erlaubt, sich sowohl in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung zu bewegen, so dass sich dadurch Leckstrom und Emissionen verringern lassen, und der Wirkungsgrad gesteigert werden kann. Die hierin beschriebene Dichtungsanordnung kann in Verbindung mit einer beliebigen geeigneten rotierenden Maschine verwendet werden, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, in dem Turbinensystem 10 von 1. 2 und 6 zeigen perspektivische Ansichten von exemplarischen Dichtungsanordnungen 32. 3–5 zeigen Ausschnitte radialer Schnittansichten vielfältiger Ausführungsbeispiele der Dichtungsanordnung 32 längs der Schnittlinie 3-3. 7 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der Dichtungsanordnung 32. In den veranschaulichten Ausführungsbeispielen vermindert die Dichtungsanordnung 32 einen axialen Leckstrom zwischen dem rotierenden Element 20 und dem stationären Gehäuse 18. Spezieller dreht sich das rotierende Element 20 in den Ausführungsbeispielen in Bezug auf das stationäre Gehäuse 18.
2 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel der Dichtungsanordnung 32 des Turbinensystems 10 von 1. Luft, Brennstoff, Dampf oder ein anderes Gas tritt an einer stromaufwärts gelegenen Seite 34 in das Turbinensystem 10 ein und verlässt das System an einer stromabwärtigen Seite 36. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Axialrichtung durch die Achse 40 angezeigt, und die Radialrichtung ist durch die Achse 42 angezeigt. Eine gekrümmte Platte 44 ist an der dem rotierenden Element 20 zugewandten gekrümmten Fläche des stationären Gehäuses 18 angebracht. In speziellen Ausführungsbeispielen kann die Platte 44 aus Stahl oder Stahllegierungen hergestellt sein. Darüber hinaus kann der Querschnitt der Platte in speziellen Ausführungsbeispielen, wie in 2 dargestellt, T-förmig sein. Die Platte 44 kann an dem Gehäuse 18 starr angebracht sein. Darüber hinaus kann die Platte 44 als ein vollständiger 360-Grad Ring, als zwei 180-Grad Bögen, oder in Form kleinerer Bögen angeordnet sein, die gemeinsam einen vollständigen Ring bilden. Weiter kann die Platte 44 in speziellen Ausführungsbeispielen auf mehreren ähnlich konstruierten Platten basieren.
Zwischen der Platte 44 und dem rotierenden Element 20 ist ein gekrümmtes Dichtungsringsegment 46 angeordnet. Ein oder mehrere gekrümmte Dichtungsringsegmente 46 können gemeinsam einen vollständigen Ring bilden. D. h. die Dichtungsanordnung 32 kann als entlang des Umfangs segmentiert bezeichnet sein. In speziellen Ausführungsbeispielen kann die gekrümmte Dichtungsringsegment 46 aus Stahl oder Stahllegierungen hergestellt sein. Weiter ist das gekrümmte Dichtungsringsegment 46 dazu eingerichtet, mit einem Spalt 47 mit der Platte 44 zusammenzupassen. Zwischen dem stationären Gehäuse 18 und dem gekrümmten Dichtungsringsegment 46 sind Vorspannelemente 48 angeordnet. Die Vorspannelemente 48 dienen als Lagerfestkörpergelenke und stellen eine hohe Steifigkeit in der axialen Richtung 40 und eine geringe Steifigkeit in der Radialrichtung 42 bereit. Die hohe Axialsteifigkeit beschränkt eine wesentliche Bewegung in der axialen Richtung. Die geringe Radialsteifigkeit erlaubt es dem gekrümmten Dichtungsringsegment 46, sich in der Radialrichtung zu bewegen. Darüber hinaus stützt das Vorspannelement 48 das Gewicht des gekrümmten Dichtungsringsegments 46 und verhindert, dass es das rotierende Element 20 unter Bedingungen fehlender Strömung berührt. In speziellen Ausführungsbeispielen kann das Vorspannelement 48 auf mehreren Festkörpergelenken basieren. Ein erstes Ende 50 jedes Festkörpergelenks kann mit dem gekrümmten Dichtungsringsegment 46 mechanisch verbunden sein, und ein zweites Ende 52 jedes Festkörpergelenks kann mechanisch mit dem stationären Gehäuse 18 oder, falls die Platte 44 T-förmig ist, mit dieser verbunden sein. In speziellen Ausführungsbeispielen können Beispiele mechanischer Verbindungen Verschrauben, Schweißen, oder sonstige geeignete Techniken zur mechanischen Befestigung von zwei Strukturen beinhalten. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das erste Ende 50 ein integraler Bestandteil des gekrümmten Dichtungsringsegments 46 sein, und das zweite Ende 52 kann an dem Gehäuse 18 mechanisch befestigt sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das zweite Ende 52 ein integraler Bestandteil des stationären Gehäuses 18 oder der Platte 44 sein, falls diese T-förmig ist, und das erste Ende 50 kann mechanisch an dem gekrümmten Dichtungsringsegment 46 befestigt sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist jedes Festkörpergelenk als ein einseitig gelagerter Träger gezeigt, der ein großes Verhältnis von Breite zur Dicke aufweist. Es sind auch andere Festkörpergelenkkonstruktionen möglich, die ebenfalls eine hohe Axialsteifigkeit und niedrige Radialsteifigkeit erreichen.
Wie in 2 veranschaulicht, ist eine radiale Stirnfläche 54 oder Oberfläche des gekrümmten Dichtungsringsegments 46 unter einem ersten Winkel 56 gegenüber der Radialrichtung 42 geneigt. Wie nachfolgend im Einzelnen erörtert, erlaubt der Neigungswinkel der radialen Stirnfläche 54 es dem gekrümmten Dichtungsringsegment 46, wie durch Pfeil 58 gezeigt, sich sowohl in einer radialen Richtung als auch in einer Umfangsrichtung zu bewegen. Darüber hinaus ist die radiale Stirnfläche 54 allgemein eben. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die radiale Stirnfläche 54 gekrümmt sein.
Darüber hinaus kann die Fläche des gekrümmten Dichtungsringsegments 46, die dem rotierenden Element 20 zugewandt ist, oder die Fläche des rotierenden Elements 20 selbst, obwohl dies in 2 nicht gezeigt ist, vielfältige, den Leckstrom verringernde Systeme beinhalten, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Zähne, Bürsten, Drähte und dergleichen. Beispielsweise können Labyrinthdichtungsanordnungen mit progressivem Toleranzabstand einen oder mehrere gekrümmte Zähne aufweisen, deren Toleranzabstände ausgehend von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36 abnehmen. Solche Dichtungsanordnungen können im Betrieb ein selbstkorrigierendes Verhalten aufweisen. Insbesondere, wenn die Toleranzabstände zwischen Spitzen der gekrümmten Zähne und dem rotierenden Element 20 steigen, nehmen die hydrostatischen Niederblaskräfte zu, so dass die Toleranzabstände verringert werden. Wenn die Toleranzabstände abnehmen, steigen hydrostatische Abhebkräfte, so dass die Toleranzabstände vergrößert werden. Durch ein Aufrechterhalten der Toleranzabstände tragen Labyrinthdichtungsanordnungen mit progressivem Toleranzabstand dazu bei, axialen Leckstrom zu reduzieren und Turbinenschäden zu verhindern. Somit können Labyrinthdichtungsanordnungen mit progressivem Toleranzabstand eine Bewegung von gekrümmten Dichtungsringsegmenten 46 in einer radialen oder in Umfangsrichtung verwenden, um die Aufrechterhaltung der gewünschten Toleranzabstände von Spitzen zu unterstützen. Ausführungsbeispiele der Dichtungsanordnung 32, die Segmentezwischenspalten aufweisen, wie sie nachfolgend im Einzelnen beschrieben sind, ermöglichen eine solche Bewegung in Labyrinthdichtungsanordnungen mit progressivem Toleranzabstand und in sonstigen Dichtungsanordnungen, die eine Bewegung des Dichtungsrings nutzen.
3 zeigt eine geschnittene Teilansicht der Dichtungsanordnung 32 längs der in 2 mit 3-3 beschrifteten Schnittlinie. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind zwischen dem rotierenden Element 20 und dem stationären Gehäuse 18 zwei gekrümmte Dichtungsringsegmente 46 angeordnet. Die Dichtungsanordnung 32 kann zusätzliche gekrümmte Dichtungsringsegmente 46 enthalten, um einen vollständigen 360-Grad Ring um das rotierende Element 20 zu bilden. Wie gezeigt, ist zwischen den beiden gekrümmten Dichtungsringsegmenten 46 ein Segmentezwischenspalt 70 angeordnet. Bei Betrachtung der Segmentezwischenspalte 70 längs der Laufradachse 40 erscheinen die Segmentezwischenspalte 70 in dem dargestellten Beispiel im Allgemeinen geradlinig. Solche Segmentezwischenspalte 70 sind zwischen den zusätzlichen gekrümmten Dichtungsringsegmenten 46 angeordnet, die den Rest des 360-Grad Rings um das rotierende Element 20 bilden. Die Segmentezwischenspalte 70 sind mit einer Segmentezwischenachse 72 fluchtend ausgerichtet. Somit sind die Segmentezwischenspalte 70 unter dem ersten Winkel 56 geneigt, der zwischen der Radialrichtung 42 und der Segmentezwischenachse 72 definiert ist. Der erste Winkel 56 kann beispielsweise im Bereich von etwa 0 Grad bis 90°, 10 Grad bis 60 Grad oder 20 Grad bis 40 Grad liegen. Für eine spezielle Anwendung ist der spezielle Wert des ersten Winkels 56 ausgewählt, um den gekrümmten Dichtungsringsegmenten 46 zu erlauben, sich, wie durch die Pfeile 58 angedeutet, sowohl in einer radialen Richtung als auch in einer Umfangsrichtung zu bewegen. Ohne auf diese beschränkt zu sein, können Faktoren wie die Anzahl, Breite, Höhe, Form oder Konstruktion der gekrümmten Dichtungsringsegmente 46 den ausgewählten Wert des ersten Winkels 56 beeinflussen.
In 3 sind die Vorspannelemente 48 gezeigt, wie sie an dem ersten Ende 52 mit dem stationären Gehäuse 18 verbunden sind, und wie sie an dem zweiten Ende 52 mit den gekrümmten Dichtungsringsegmenten 46 verbunden sind. Die Vorspannelemente 48 ermöglichen es den gekrümmten Dichtungsringsegmenten 46 sich in der durch die Pfeile 58 angezeigten Richtung zu bewegen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel können die Segmentezwischenachse 72 im Wesentlichen mit der Bewegungsrichtung 58 fluchtend ausgerichtet sein. D. h. die Segmentezwischenspalte 70 sind in der Bewegungsrichtung 58 geneigt. Die Bewegungsrichtung 58 entspricht, wie gezeigt, sowohl in einer Radialrichtung als auch in einer Umfangsrichtung einer Bewegung der gekrümmten Dichtungsringsegmente 46. Die Segmentezwischenspalte 70 können durch eine Breite 74 definiert sein, die in Abhängigkeit von den Anforderungen einer speziellen Anwendung ausgewählt sein kann. Beispielsweise kann die Breite 74 auf ein Minimum reduziert sein, um einen durch die Segmentezwischenspalte 70 verlaufenden Leckstrom zu vermindern. In vielfältigen Ausführungsbeispielen kann die Breite 74 beispielsweise im Bereich von etwa 2 mm bis 10 mm, oder 4 mm bis 6 mm liegen.
4 zeigt eine geschnittene Teilansicht der Dichtungsanordnung 32. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Segmentezwischenspalte 70 entlang der Laufradachse 40 betrachtet nicht geradlinig. Stattdessen sind die Segmentezwischenspalte 70 entlang der Laufradachse 40 betrachtet im Wesentlichen gekrümmt. In Entsprechung kann auch die Segmentezwischenachse 72 gekrümmt sein. Gekrümmte Segmentezwischenspalte 70 können es den gekrümmten Dichtungsringsegmenten 46 erlauben, sich, wie durch Pfeile 58 angedeutet, in eine gekrümmte Richtung zu bewegen. Solche gekrümmten Segmentezwischenspalte 70 können in speziellen Anwendungen vorteilhaft sein, z. B. in Anwendungen mit großen (z. B. etwa 5 mm aufweisenden oder größeren) Durchbiegungen der gekrümmten Dichtungsringsegmente 46. Beispielsweise können die gekrümmten Dichtungsringsegmente 46 und/oder Vorspannelemente 48, während sie sich in der radialen und/oder der Umfangsrichtung bewegen, nachgeben oder sich biegen. Dementsprechend können die gekrümmten Segmentezwischenspalte 70 jede durch eine derartige Durchbiegung hervorgerufene Änderung in der durch Pfeile 58 angedeuteten Richtung aufnehmen. Andere Aspekte der in 4 gezeigten Dichtungsanordnung 32 ähneln den oben mit Bezug auf 3 erörterten Aspekten.
5 zeigt eine geschnittene Teilansicht der Dichtungsanordnung 32. Die in 5 gezeigten gekrümmten Dichtungsringsegmente 46 ähneln den in 3 gezeigten, die geradlinige Segmentezwischenspalte 70 aufweisen. Allerdings unterscheidet sich die Konstruktion der Vorspannelemente (oder Festkörpergelenke) in 5 von den in 3 und 4 gezeigten Konstruktionen. In 5 ist jedes gekrümmte Dichtungsringsegment 46 über ein Paar V-förmige Vorspannelemente (oder Festkörpergelenke) 80, die um eine winkelhalbierende Achse (oder Winkelhalbierende) 84 symmetrisch sind, mit dem stationären Gehäuse 18 verbunden. D. h. die winkelhalbierende Achse 84 unterteilt die gekrümmten Dichtungsringsegmente 46 in zwei Bereiche, und die V-förmigen Vorspannelemente 80 sind in etwa mit gleichem Abstand von der winkelhalbierenden Achse 84 angeordnet. Die V-förmige Gestalt der V-förmigen Vorspannelemente 80 zeigt sich bei Betrachtung entlang der Laufradachse 40. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der V-förmigen Vorspannelemente 80 um die winkelhalbierende Achse 84 bewegen sich die gekrümmten Dichtungsringsegmente 46, wie durch Pfeile 86 angedeutet, im Wesentlichen in der Radialrichtung. Da die Bewegung der gekrümmten Dichtungsringsegmente 46 in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung beschränkt ist, sind die Segmentezwischenspalte 70 (und dementsprechend die Segmentezwischenachsen 72) entlang der Radialrichtung 42 angeordnet. In weiteren Ausführungsbeispielen können mehr als ein Paar V-förmige Vorspannelemente 80, die in Relation zu der winkelhalbierenden Achse 84 symmetrisch sind, mit jedem der gekrümmten Dichtungsringsegmente 46 verbunden sein.
6 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel der Dichtungsanordnung 32. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die radiale Stirnfläche 54 der gekrümmten Dichtungsringsegmente 46 unter einem zweiten Winkel 90 gegenüber der Laufradachse 40 geneigt. Der zweite Winkel 90 kann beispielsweise im Bereich von etwa 0 Grad bis 90°, 10 Grad bis 60 Grad oder 20 Grad bis 40 Grad liegen. Der spezielle Wert des zweiten Winkels 90 ist für eine spezielle Anwendung so ausgewählt, dass eine Verringerung eines axialen Leckstroms unterstützt wird, wie nachfolgend im Einzelnen erörtert. Allerdings können, ohne darauf beschränkt zu sein, Faktoren wie die Anzahl, Breite, Höhe, Form oder Konstruktion der gekrümmten Dichtungsringsegmente 46 den ausgewählten Wert des zweiten Winkels 90 beeinflussen. Andere Aspekte der in 6 gezeigten Dichtungsanordnung 32 ähneln den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen von Dichtungsanordnungen 32, die im Vorausgehenden näher erläutert sind.
7 zeigt eine Draufsicht der Dichtungsanordnung 32 längs der in 6 mit 7-7 beschrifteten Schnittlinie. In Entsprechung ist die perspektivische Ansicht von 6 längs der in 7 mit 6-6 beschrifteten Schnittlinie angezeigt. In 7 wurde die gekrümmte Platte 44 aus Gründen der Übersichtlichkeit entfernt, so dass der Spalt 47 in den gekrümmten Dichtungsringsegmenten 46 zu sehen ist. Wie gezeigt, ist die Segmentezwischenachse 74 gegenüber der Laufradachse 40 unter dem zweiten Winkel 90 geneigt. Eine solche Konstruktion der Segmentezwischenspalte 70 kann dazu beitragen, einen durch die Segmentezwischenspalte 70 dringenden axialen Leckstrom zu verringern, da die Segmentezwischenspalte 70 nicht mit dem in der axialen Richtung 40 strömenden Fluid fluchtend ausgerichtet sind. Die zweiten Enden 52 der Festkörpergelenke können, wie gezeigt, mit der Laufradachse 40 fluchten, oder die zweite Enden 52 können mit der Segmentezwischenachse 72 fluchten.
8 zeigt in einer Draufsicht ein Ausführungsbeispiel der Dichtungsanordnung 32. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Segmentezwischenspalt 70 in der axialen Richtung 40 nicht geradlinig. Stattdessen ist der Segmentezwischenspalt 70 labyrinth- oder zahnartig konstruiert. Eine solche Konstruktion der Segmentezwischenspalte 70 erzeugt einen gewundenen Pfad, der dazu beitragen kann, einen axialen Leckstrom zu verhindern. Obwohl die Oberflächen der Segmentezwischenspalte 70 im Allgemeinen nicht geradlinig sind, sind einige davon mit der Laufradachse 40 im Wesentlichen fluchtend ausgerichtet. In weiteren Ausführungsbeispielen können einige der Oberflächen der Segmentezwischenspalte 70, ähnlich der in 7 gezeigten Dichtungsanordnung 32, unter dem zweiten Winkel 90 geneigt sein.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 120 zur Herstellung der Dichtungsanordnung 32. In einem Schritt 122 werden die Dichtungsringsegmente 46 mit geneigten Stirnflächen ausgebildet. Die Stirnflächen können beispielsweise allgemein eben oder gekrümmt sein. Die Dichtungsringsegmente 46 können die Gestalt eines kreisförmigen Bogens aufweisen. Zusätzlich können die radialen Stirnflächen 54 der Dichtungsringsegmente 46 gegenüber einem Radius des kreisförmigen Bogens unter dem ersten Winkel 56 geneigt sein. In einem Schritt 124 werden die Dichtungsringsegmente 46 benachbart zu dem stationären Gehäuse 18 und getrennt durch die Segmentezwischenspalte 70 eingebaut. Die radialen Stirnflächen 54 der Dichtungsringsegmente 46 werden so eingebaut, dass die radialen Stirnflächen 54 in der Bewegungsrichtung 58 der Dichtungsringsegmente 46 geneigt sind, um es den Dichtungsringsegmenten 46 zu erlauben, sich in der Bewegungsrichtung 58 zu bewegen. In Schritt 126 werden die Dichtungsringsegmente 46 mittels der Vorspannelemente 48 mit dem stationären Gehäuse 18 verbunden. Die Vorspannelemente 48 sind dazu eingerichtet, es den Dichtungsringsegmenten 46 zu erlauben, sich in der Bewegungsrichtung 58, die allgemein längs der Segmentezwischenachse 72 verlaufen kann, zu bewegen.
Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus zu beschreiben, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in der Praxis einzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Weiter beinhalten die hierin unterbreiteten repräsentativen Ausführungsbeispiele Merkmale, die miteinander und mit den Merkmalen sonstiger offenbarter Ausführungsbeispiele kombiniert werden können. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.
Geschaffen ist eine Dichtungsanordnung 32 für eine Turbomaschine 10. Die Turbomaschine 10 weist ein stationäres Gehäuse 18 und ein Laufrad 20 auf, das um eine Achse 22 drehbar ist. Zu der Dichtungsanordnung 32 gehören mehrere gekrümmte Dichtungsringsegmente 46, die zwischen dem Laufrad 20 und dem stationären Gehäuse 18 angeordnet sind, und mehrere Segmentezwischenspalte 70, die zwischen den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten 46 angeordnet sind. Die mehreren Segmentezwischenspalte 70 sind unter einem ersten Winkel 56 gegenüber einer radialen Achse 42 des Laufrads 20 geneigt und sind in einer Bewegungsrichtung der mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmente 46 geneigt. Die Dichtungsanordnung 32 enthält außerdem ein Vorspannelement 48, das zwischen dem stationären Gehäuse 18 und den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmente 46 angeordnet und mit beiden verbunden ist.
Bezugszeichenliste

10: Turbinensystem
12: Verdichterabschnitt
14: Brennkammerabschnitt
16: Turbinenabschnitt
18: Stationäres Gehäuse
20: Rotierendes Element
22: Achse
24: Sich bewegende Schaufeln
26: Stationäre Schaufeln
28: Position zwischen ummantelter rotierender Schaufel und stationärem Gehäuse
30: Position zwischen rotierendem Element und stationärer Schaufel
32: Endpackungdichtungsposition
34: Stromaufwärts gelegene Seite
36: Stromabwärtige Seite
40: Axiale Achse
42: Radiale Achse
44: Gekrümmte Platte
46: Gekrümmtes Dichtungsringsegment
47: Spalt
48: Vorspannelemente
50: Erstes Ende eines Festkörpergelenks
52: Zweites Ende eines Festkörpergelenks
54: Radiale Stirnfläche
56: Erster Winkel
58: Pfeil, der eine Bewegung in radialer und in Umfangsrichtung zeigt
70: Segmentezwischenspalt
72: Segmentezwischenachse
74: Breite des Segmentezwischenspalts
80: V-förmige Vorspannelemente
84: Winkelhalbierende Achse
86: Pfeile, die eine Bewegung in Radialrichtung zeigen
90: Zweiter Winkel
120: Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsanordnung
122: Schritt zum Ausbilden von Dichtungsringsegmenten mit geneigten Stirnflächen
124: Schritt zum Einbauen von Dichtungsringsegmenten, die durch Segmentezwischenspalte getrennt sind
126: Schritt zum Verbinden von Dichtungsringsegmenten mit einem stationären Gehäuse

Claims

Dichtungsanordnung (32) für eine Turbomaschine (10), wobei die Turbomaschine (10) ein stationäres Gehäuse (18) und ein Laufrad (20) aufweist, das um eine Achse (22) drehbar ist, wobei zu der Dichtungsanordnung (32) gehören: mehrere gekrümmte Dichtungsringsegmente (46), die zwischen dem Laufrad (20) und dem stationären Gehäuse (18) angeordnet sind; mehrere Segmentezwischenspalte (70), die zwischen den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten (46) angeordnet sind, wobei die mehreren Segmentezwischenspalte (70) unter einem ersten Winkel (56) gegenüber einer radialen Achse (42) des Laufrads (20) geneigt sind und in einer Bewegungsrichtung der mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmente (46) geneigt sind; und ein Vorspannelement (48), das zwischen dem stationären Gehäuse (18) und den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten (46) angeordnet und mit beiden verbunden ist.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Segmentezwischenspalte (70) es den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten (46) erlauben, sich sowohl in einer radialen Richtung (58) als auch in einer Umfangsrichtung (58) zu bewegen.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Segmentezwischenspalte (70) in einer axialen Richtung (40) nicht geradlinig sind.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Segmentezwischenspalte (70) entlang der Achse (22) des Laufrads (20) betrachtet geradlinig sind.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Segmentezwischenspalte (70) entlang der Achse (22) des Laufrads (20) betrachtet gekrümmt sind.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Segmentezwischenspalte (70) unter einem zweiten Winkel (90) gegenüber der Achse (22) des Laufrads (20) geneigt sind.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 1, wobei das Vorspannelement (48) mehrere Festkörpergelenke aufweist, die mit dem stationären Gehäuse (18) und den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten (46) mechanisch verbunden sind; und wobei die mehreren Festkörpergelenke dazu eingerichtet sind, als Lager zu wirken und den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten (46) zu erlauben, sich in eine radiale Richtung (42) zu bewegen, während sie eine Bewegung in axialer Richtung (40) beschränken.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 1, die eine Labyrinthdichtungsanordnung mit progressivem Toleranzabstand aufweist, die dazu eingerichtet ist, sich im Betrieb selbstkorrigierend zu verhalten.
Dichtungsanordnung (32) für eine Turbomaschine (10), wobei die Turbomaschine (10) ein stationäres Gehäuse (18) und ein Laufrad (20) aufweist, das um eine Achse (22) drehbar ist, wobei zu der Dichtungsanordnung (32) gehören: mehrere gekrümmte Dichtungsringsegmente (46), die zwischen dem Laufrad (20) und dem stationären Gehäuse (18) angeordnet sind; mehrere Segmentezwischenspalte (70), die zwischen den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten (46) angeordnet sind, wobei die mehreren Segmentezwischenspalte (70) entlang einer radialen Achse (42) des Laufrads (20) konstruiert sind; und mehrere Vorspannelemente (80), die zwischen dem stationären Gehäuse (18) und den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten (46) angeordnet und mit beiden verbunden sind, wobei die mehreren Vorspannelemente (80) entlang der Achse (22) des Laufrads 20) betrachtet V-förmig sind und mit den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten (46) symmetrisch verbunden sind.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 9, wobei die symmetrische Verbindung der mehreren Vorspannelemente (80) mit den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten (46) und die Konstruktion der mehreren Segmentezwischenspalte (70) es den mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmenten (46) erlaubt, sich in einer im Wesentlichen radialen Richtung (86) zu bewegen.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 9, wobei die mehreren Segmentezwischenspalte (70) entlang der Achse (22) des Laufrads (40) betrachtet geradlinig sind.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 9, wobei die mehreren Segmentezwischenspalte (70) unter einem zweiten Winkel (90) gegenüber der Achse (22) des Laufrads (20) geneigt sind.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 9, wobei jedes der mehreren Vorspannelemente (80) ein Paar Festkörpergelenke aufweist, die mit dem stationären Gehäuse (18) und mit jedem der mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmente (46) mechanisch verbunden sind; und wobei das Paar von Festkörpergelenken dazu eingerichtet ist, als Lager zu wirken und es jedem der mehreren gekrümmten Dichtungsringsegmente (46) zu erlauben, sich in eine radiale Richtung (86) zu bewegen, jedoch Bewegung in einer axialen Richtung (40) zu beschränken.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 13, mit mehreren Paaren Festkörpergelenken.
Dichtungsanordnung (32) nach Anspruch 9, die eine Labyrinthdichtungsanordnung mit progressivem Toleranzabstand aufweist, die dazu eingerichtet ist, sich im Betrieb selbstkorrigierend zu verhalten.