DE102013108862A1

DE102013108862A1 - Dichtungsdesign und aktive Spaltsteuerungsstrategie für Turbomaschinen

Info

Publication number: DE102013108862A1
Application number: DE102013108862.7A
Authority: DE
Inventors: Deepak Trivedi; Xiaoqing Zheng; Norman Arnold Turnquist; Murat Inalpolat
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-08-15
Publication date: 2014-03-06
Also published as: CN103670534A; CH706862A8; US20140064909A1; JP2014043858A; JP6220191B2; KR102056868B1; KR20140030054A; CH706862A2

Abstract

Es werden ein Labyrinthdichtungsdesign, eine aktive Spaltsteuerungsstrategie und ein Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine bereitgestellt. Das Labyrinthdichtungsdesign beinhaltet mehrere Einrichtungen, die zum Öffnen und Schließen radialer Spalte in Reaktion auf eine axiale Relativbewegung zwischen einer stationären Komponente und einer rotierenden Komponente ausgestaltet sind. Die aktive Spaltsteuerungsstrategie und das Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine bewirken das Erzielen einer Relativbewegung zwischen einer rotierenden Komponente und einer stationären Komponente der Turbomaschine unter Einsatz aktiver Elemente. Die axiale Verschiebung der rotierenden Komponente in Bezug auf die stationäre Komponente bewirkt eine Einstellung eines radialen Spaltes an einer oder mehreren Dichtungsstellen zwischen der rotierenden Komponente und der stationären Komponente, um einem vorgegebenen Betriebszustand der Turbomaschine zu genügen.

Description

Hintergrund
Hierin dargestellte Gegenstände betreffen allgemein Dichtungen für Rotationsmaschinen, wie z. B. Dampf- und Gasturbinen, und betreffen insbesondere ein Labyrinthdichtungsdesign und eine Betätigungsstrategie zur aktiven Spaltsteuerung und Spannenverkürzung in Turbinenmaschinen.
Rotationsmaschinen und insbesondere Turbomaschinen, wie z. B. Dampf- und Gasturbinen, die zur Stromerzeugung und für mechanische Antriebsanwendungen eingesetzt werden, sind im Allgemeinen große Maschinen, die aus mehreren Turbinenstufen bestehen. In Turbinen muss durch die Turbinenstufen strömendes Hochdruckfluid eine Reihe stationärer und rotierender Komponenten passieren und Dichtungen zwischen den stationären und rotierenden Komponenten werden zur Leckagekontrolle verwendet. Der Wirkungsgrad der Turbine hängt direkt von der Fähigkeit der Dichtungen ab, eine Leckage zwischen dem Rotor und dem Stator zu verhindern. Turbinenkonstruktionen werden üblicherweise als Gleichdrucktyp klassifiziert, wobei der Hauptanteil des Druckabfalls zwischen festen Leitapparaten erfolgt, oder als Reaktionstyp, bei denen der Druckabfall gleichmäßiger zwischen den rotierenden und den stationären Schaufeln verteilt ist. Beide Designs können starre Zahn-, d. h., Labyrinthdichtungen zur Kontrolle der Leckage verwenden. Herkömmlicherweise werden starre Labyrinthdichtungen entweder einer Hoch/Niedrig- oder geraden Wellenkonstruktion verwendet. Diese Dichtungstypen werden praktisch an allen Turbinenstellen eingesetzt, wo die Leckage zwischen rotierenden und stationären Komponenten gesteuert werden muss. Dieses beinhaltet Zwischenstufen-Wellendichtungen, Rotorendabdichtungen und Schaufel-(oder Blatt-)-spitzendichtungen. Dampfturbinen sowohl des Gleichdruck- als auch des Überdrucktyps verwenden typischerweise starre scharfe Zähne zur die Rotor/Stator-Abdichtung. Obwohl sich Labyrinthdichtungen als ziemlich zuverlässig erwiesen haben, verschlechtert sich ihr Verhalten mit der Zeit als Folge von Übergangsereignissen, in welchen die stationären und rotierenden Komponenten aneinanderkommen, was die Labyrinthzähne in ein ”Pilz”-Profil reibt und den Dichtungsspalt öffnet.
In einem Versuch, derartige Reibfehler zu verhindern, die zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit einer Dichtungsleckage führen, können Labyrinthdichtungsdesigns radiale und axiale Spalte enthalten, um Reibungsvorgänge während Übergangszuständen zu verhindern. Diese Spalte können, obwohl sie die Wahrscheinlichkeit einer Dichtungsleckage verringern, den Wirkungsgrad verringern und die Maschinenaufstellfläche vergrößern. Verschiedene passive und aktive Lösungsansätze zur Spaltsteuerung gibt es bereits für Turbomaschinen. Viele von diesen Lösungsansätzen sind thermisch-basierende und langsam, um auf Übergangszustände zu reagieren und begrenzen damit die Betriebsflexibilität der Maschine. Aktive Lösungsansätze nach dem Stand der Technik basieren typischerweise auf einem Konusin-Konus-Konzept und optimieren die Spalte überhaupt nicht. Weitere Dichtungstechnologien zur Leistungsverbesserung beinhalten moderne Dichtungen, wie z. B. Bürstendichtungen, Dichtungen aus nachgiebigen Platten und Abriebsdichtungen, die in vielen Anwendungen unerschwinglich sein können.
Angesichts des Vorstehenden ist es erwünscht, ein verbessertes Labyrinthdichtungsdesign und eine aktive Spaltsteuerungsstrategie zur aktiven Spaltsteuerung und Spannenverkürzung in Turbomaschinen bereitzustellen.
Kurzzusammenfassung
Diese und weitere Nachteile des Stands der Technik werden durch die vorliegende Erfindung behandelt, welche ein Labyrinthdichtungsdesign für eine Turbomaschine bereitstellt. Das Labyrinthdichtungsdesign weist mehrere Einrichtungen auf, die zum Öffnen und Schließen radialer Spalte in Reaktion auf eine axiale Relativbewegung zwischen einer stationären Komponente und einer rotierenden Komponente ausgestaltet sind.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Betätigungsstrategie zur aktiven Spaltsteuerung bereitgestellt, um eine Relativbewegung zwischen wenigstens einer rotierenden Komponente und wenigstens einer stationären Komponente einer Turbomaschine unter Verwendung aktiver Elemente zu bewirken. Die Betätigungsstrategie zur aktiven Spaltsteuerung umfasst die Schritte: Bereitstellen einer stationären Komponente mit einer Innenwand und einer rotierenden Komponente, die in Bezug auf die stationäre Komponente positioniert wird, wobei die rotierende Komponente einen radialen Spalt an einer oder mehreren Dichtungsstellen zwischen der rotierenden Komponente und der Innenwand ausbildet; Bereitstellen wenigstens einer Labyrinthdichtung, die mehrere Einrichtungen enthält, die dafür ausgelegt sind, den radialen Spalt an einer Dichtungsstelle der einen oder mehreren Dichtungsstellen in Reaktion auf eine axiale Relativbewegung zwischen der stationären Komponente und der rotierenden Komponente zu öffnen und zu schließen; und axiales Verschieben der rotierenden Komponente in Bezug auf die stationäre Komponente, um dadurch den radialen Spalt an der einen oder mehreren Stellen zwischen der rotierenden Komponente und der Innenwand einzustellen, um einem vorgegebenen Betriebszustand der Turbomaschine zu genügen.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine bereitgestellt. Das Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine umfasst die Bereitstellung einer Turbomaschine mit einer stationären Komponente mit einer Innenwand und einer rotierenden Komponente, die in Bezug auf die stationäre Komponente positioniert ist, wobei die rotierende Komponente mehrere Schaufeln trägt, wovon jede eine eine der Innenwand zugewandte Schaufelspitze hat und einen radialen Spalt zwischen jeder Schaufelspitze und der Innenwand ausbildet; die Bereitstellung eines Labyrinthdichtungsdesigns mit mehreren Einrichtungen, die zum Öffnen und Schließen des radialen Spaltes in Reaktion auf eine axiale Relativbewegung zwischen der stationären Komponente und der rotierenden Komponente ausgelegt sind; und die axiale Verschiebung der rotierenden Komponente in Bezug auf die stationäre Komponente, um dadurch den radialen Spalt an der einen oder mehreren Stellen zwischen der rotierenden Komponente und der Innenwand einzustellen, um einem vorgegebenen Betriebszustand der Turbomaschine zu genügen.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit dem Lesen der nachstehenden detaillierten Beschreibung und der beigefügten Ansprüche unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die vorstehenden und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen durchgängig durch die Zeichnungen gleiche Teile repräsentieren, in welchen:
1 eine schematische Darstellung eines Triebwerks gemäß hierin offengelegten Ansprüchen ist;
2 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Labyrinthdichtung ist;
3 eine schematische Darstellung eines Dichtungsdesigns und einer aktiven Spaltsteuerungsstrategie gemäß einer Ausführungsform ist;
4 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Abschnittes eines Dichtungsdesigns und einer aktiven Spaltsteuerungsstrategie wie gemäß einer Ausführungsform montiert ist;
5 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Abschnittes eines Dichtungsdesigns und einer aktiven Spaltsteuerungsstrategie von 4 anschließend an eine Rotorbetätigung gemäß einer Ausführungsform ist;
6 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Abschnittes des Dichtungsdesigns und der aktiven Spaltsteuerungsstrategie von 4 während Aktivierung eines stabilen Zustandes gemäß einer Ausführungsform ist;
7 eine schematische Darstellung von Varianten eines Dichtungsdesigns und einer aktiven Spaltsteuerungsstrategie der 4–6 während verschiedener Aktivierungszustände gemäß Ausführungsformen ist;
8 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Abschnittes eines Dichtungsdesigns und einer aktiven Spaltsteuerungsstrategie wie gemäß einer weiteren Ausführungsform montiert ist;
9 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Abschnittes eines Dichtungsdesigns und einer aktiven Spaltsteuerungsstrategie von 8 anschließend an eine Rotorbetätigung gemäß einer Ausführungsform ist;
10 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Abschnittes des Dichtungsdesigns und der aktiven Spaltsteuerungsstrategie von 8 während einer Aktivierung eines stabilen Zustands gemäß einer Ausführungsform ist;
11 eine schematische Darstellung von Varianten des Dichtungsdesigns und einer aktiven Spaltsteuerungsstrategie der 8–10 während verschiedener Aktivierungszustände gemäß Ausführungsformen ist;
12 eine exemplarische graphische Darstellung ist, die die Auswirkung einer Betätigungselementverschiebung darstellt, soweit sie das Aktivierungsprofil eines Dichtungsdesigns und die aktive Spaltsteuerungsstrategie gemäß einer Ausführungsform betrifft;
13 eine exemplarische graphische Darstellung ist, welche die durch die Verwendung des Dichtungsdesigns und der aktiven Spaltsteuerungsstrategie gemäß einer Ausführungsform erzielten Vorteile veranschaulicht; und
14 eine schematische Blockdarstellung einer Aktivierungssteuerungsstrategie oder eines Verfahrens zum Betreiben einer Turbomaschine gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist.
Detaillierte Beschreibung
Eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Vorrichtung werden nachstehend beschrieben. In dem Bemühen, eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen zu geben, können nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementation in der Patenschrift beschrieben werden.
Die hierin offengelegte Ausführungsform betrifft Labyrinthdichtungsdesigns und insbesondere Labyrinthdichtungsdesigns und eine Aktivierungssteuerungsstrategie zur aktiven Spaltsteuerung und Spannenverkürzung in Turbinenmaschinen wie z. B. Turbomaschinen, Dampfturbinen oder dergleichen. So wie hierin verwendet, ist das Labyrinthdichtungsdesign auf verschiedene Arten von Turbomaschinenanwendungen wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Turbojets, Turbofans, Turboantriebsmaschinen, Flugzeugmotoren, Gasturbinen, Dampfturbinen, Windkraftanlagen und Wasserturbinen anwendbar. Zusätzlich beinhaltet wie hierin verwendet, Singularformen wie z. B. ”ein ...” und ”der, die, das” auch Pluralbezugnahmen, sofern der Kontext nicht deutlich anderes anzeigt.
In den Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Flugzeugtriebwerksanordnung 10. Das Bezugszeichen 12 kann eine Mittellinienachse 12 repräsentieren. In der exemplarischen Ausführungsform enthält die Motoranordnung 10 eine Fan-Baugruppe 14, einen Vorverdichter 16, ein Kerngasturbinentriebwerk 10 und eine Niederdruckturbine 20, die mit der Fan-Baugruppe 14 und dem Vorverdichter 16 verbunden sein kann. Die Fan-Baugruppe 14 enthält mehrere Rotorfanschaufeln 22, die sich radial von der Fanrotorscheibe 24 nach außen erstrecken, sowie mehrere Auslassführungsschaufeln 26, die stromabwärts von den Rotorfanschaufeln 22 positioniert sein können. Das Kerngasturbinentriebwerk 18 enthält einen Hochdruckverdichter 28, einen Brenner 30 und eine Hochdruckturbine 32. Der Vorverdichter 16 enthält mehrere Rotorschaufeln 34, die sich im Wesentlichen radial von einer mit einer ersten Antriebswelle 38 verbundenen Verdichterrotorscheibe 36 radial nach außen erstrecken. Der Hochdruckverdichter 28 und die Hochdruckturbine 32 sind miteinander über eine zweite Antriebswelle 40 verbunden. Die Triebwerksanordnung 10 enthält auch eine Einlassseite 42, eine Kerntriebwerksauslassseite 44 und eine Fan-Auslassseite 46.
Während des Betriebs verdichtet die Fanbaugruppe 14 in das Triebwerk 10 durch die Einlassseite 42 eintretende Luft. Der die Fanbaugruppe 14 verlassende Luftstrom wird so aufgeteilt, dass ein Teil 48 des Luftstroms in den Vorverdichter 16 als verdichteter Luftstrom geleitet wird, und der restliche Teil 50 des Luftstroms den Vorverdichter 16 und das Kerngasturbinentriebwerk 18 umgeht und das Triebwerk 10 durch die Fan-Auslassseite 46 als Nebenstromluft verlässt. Dieser Nebenstromluftanteil 50 strömt an den Auslassführungsschaufeln 26 vorbei und tritt damit unter Erzeugung von instabilen Drücken auf den Statoroberflächen sowie in dem umgebenden Luftstrom, die als akustische Wellen abstrahlen, in Wechselwirkung. Die mehreren Rotorschaufeln 40 verdichten und liefern den verdichteten Luftstrom 48 an das Kerngasturbinentriebwerk 18. Ferner wird der Luftstrom 48 durch den Hochdruckverdichter 28 weiter verdichtet und an den Brenner 30 geliefert. Außerdem treibt der verdichtete Luftstrom 48 aus dem Brenner 30 die rotierende Hochdruckturbine 32 und die Niederdruckturbine 20 an und verlässt das Triebwerk 10 durch die Kerntriebwerksauslassseite 44.
Wie vorstehend erwähnt, werden Dichtungen an praktisch allen Turbinenstellen eingesetzt, wo eine Leckage zwischen rotierenden und stationären Komponenten gesteuert werden muss, wie z. B. zwischen Rotoren und Statoren, wie z. B. den Rotoren 40 und den Statoren 26 von 1. Insbesondere ist in 2 ein Teil einer herkömmlichen Rotationsmaschine, wie beispielsweise einer Turbine dargestellte, die eine in einem Turbinengehäuse 62 untergebrachte Turbinenwelle 60 hat und welche mittels herkömmlicher nicht dargestellter Einrichtungen in dem Turbinengehäuse 62 wie im Fachgebiet bekannt gelagert ist. Eine insgesamt mit 64 bezeichnete Labyrinthdichtung, die zwischen der rotierenden Welle 60 und dem stationären Gehäuse 62 angeordnet ist, enthält einen um die Welle 60 angeordneten Dichtungsring 66, der Hoch- und Niederdruckbereiche auf axialen gegenüberliegenden Seiten des Ringes trennt. Es ist erkennbar, dass, obwohl nur eine Dichtung 64 offengelegt ist, typischerweise mehrstufige Labyrinthdichtungen um die Rotorwelle herum vorgesehen werden. Jeder Dichtungsring 66 ist aus einer ringförmigen Anordnung von mehreren bogenförmigen Dichtungselementen 68 mit Dichtungsflächen 70 und mehreren radial vorstehenden axial beabstandeten Zähnen 72 ausgebildet. Die Zähne 72 haben ein Hoch/Niedrig-Design, um enge Spalte zu den radialen Vorsprüngen oder Rippen 74 und den Nuten 76 der Welle 60 zu erzielen. Die Labyrinthdichtung funktioniert, indem sie eine relativ große Anzahl von Barrieren, d. h., Zähnen, gegen den Fluidstrom aus einem Hochdruckbereich zu einem Niederdruckbereich auf gegenüberliegenden Seiten der Dichtung 64 platziert, wobei jede Barriere das Fluid zwingt, einem gewundenen Pfad zu folgen, wodurch ein Druckabfall erzeugt wird. Die Summe der Druckabfälle über der Labyrinthdichtung 64 ist per Definition die Druckdifferenz zwischen den Hoch- und Niederdruckbereichen auf ihren axial gegenüberliegenden Seiten. Diese Labyrinthdichtungsringsegmente 66 sind typischerweise federgestützt, und können sich somit wie es durch den Richtungspfeil dargestellt ist, frei radial bewegen, wenn sie einer erheblichen Rotor/Dichtungs-Berührung unterworfen werden. In bestimmten Designs halten die Federn die Dichtungsringsegmente 66 von dem Rotor, beispielsweise während des Hochfahrens und Herunterfahrens, radial nach außen hin weg, wobei Fluiddruck zwischen den Dichtungsringsegmenten 66 und dem Rotorgehäuse zugeführt wird, um die Dichtungsringsegmente 66 radial zu verschieben und insbesondere in eine Einwärtsrichtung, um einen kleineren Spalt zu dem Rotor, d. h., nahe zu den Dichtungen, zu erhalten, nachdem der Rotor auf Drehzahl gebracht worden ist. Gemäß Darstellung erzeugt die Labyrinthdichtung 64, wenn sie sich unter dem Einfluss der radialen Bewegung befindet, radiale Spalte zwischen der rotierenden Welle 60 und dem stationären Gehäuse 62, um sich nach Bedarf zu öffnen und zu schließen.
In 3 ist ein Teil einer Rotationsmaschine 100, z. B. einer Turbine gemäß einer Ausführungsform dargestellt, die das neue Dichtungsdesign und die aktive Spaltsteuerungsstrategie wie hierin offengelegt enthält. Die Rotationsmaschine 100 enthält eine rotierende Komponente 102 und eine stationäre Komponente 104. In einer Ausführungsform kann die rotierende Komponente 102 ein Turbinenrotor 106 mit mehreren Rotorschaufeln 108 sein, die sich daraus erstrecken und durch nicht dargestellte herkömmliche Einrichtungen, wie im Fachgebiet bekannt, gelagert sind. In einer Ausführungsform kann die stationäre Komponente 104 ein Stator 110 mit mehreren Statorschaufeln 112 sein, die sich daraus erstrecken und mittels nicht dargestellter herkömmlicher Einrichtungen, wie im Fachgebiet bekannt, gelagert sind. In einer Ausführungsform kann die stationäre Komponente 104 eine Innenwand 103 enthalten. Die rotierende Komponente 102 ist in Bezug auf die stationäre Komponente 104 so positioniert, dass sie einen radialen Spalt 105 an einer oder mehreren Stellen 107 zwischen der rotierenden Komponente 102 und der Innenwand 103 ausbildet.
Eine insgesamt mit 114 bezeichnete Labyrinthdichtung ist zwischen dem Rotor 106 und jeder von den stationären Statorschaufeln 110 angeordnet. Die Labyrinthdichtung 114 enthält einen Dichtungsring 116, der unmittelbar um den Rotor 106 angeordnet ist und Hoch- und Niederdruckbereiche auf axial gegenüberliegenden Seiten des Dichtungsringes 116 trennt. Man erkennt, dass wie dargestellt, typischerweise mehrstufige Labyrinthdichtungen unmittelbar an der rotierenden Komponente 102 und insbesondere an dem Rotor 106 vorgesehen sind. Jeder Dichtungsring 116 ist aus einer ringförmigen Anordnung von mehreren bogenförmigen Dichtungselementen 118 mit Dichtungsflächen 120 und mehreren radial hervorstehenden axial beabstandeten Zähnen 122 ausgebildet. Wie dargestellt, haben die Zähne 72 haben ein Hoch/Niedrig-Design, um enge Spalte zu den radialen Vorsprüngen oder Rippen 124 und den Nuten 126 des rotierenden Elementes 102 zu erzielen. Die Labyrinthdichtung 114 funktioniert, indem sie eine relativ große Anzahl von Barrieren, d. h., Zähnen, gegen den Fluidstrom aus einem Hochdruckbereich zu einem Niederdruckbereich auf gegenüberliegenden Seiten der Dichtung 114 platziert, wobei jede Barriere das Fluid zwingt, einem gewundenen Pfad zu folgen, wodurch ein Druckabfall erzeugt wird. Die Summe der Druckabfälle über der Labyrinthdichtung 114 ist per Definition die Druckdifferenz zwischen den Hoch- und Niederdruckbereichen auf ihren axial gegenüberliegenden Seiten. Der Rotor 102 kann sich, wie durch den Richtungspfeil 128 dargestellt, frei während des Betriebs axial bewegen. Während des Betriebs ”dehnt sich”, da sich die rotierende Komponente 102 und insbesondere der Rotor 106 erwärmt, dieser in einer axialen Richtung aus, sodass er von einem aktiven Axialdrucklager 130 weg verschoben wird. Die axiale Bewegung des Rotors 102 wird durch ein (nicht dargestelltes) Betätigungselement gesteuert und verläuft in Bezug auf den Rotor 102 axial zu dem aktiven Axialdrucklager 130. Das (nachstehend detaillierter beschriebene) neue Labyrinthdichtungsdesign stellt, wenn es sich unter dem Einfluss dieser axialen Verschiebung befindet, radiale Spalte zwischen der rotierenden Komponente 102 und der stationären Komponente 104 bereit, um sie nach Bedarf zu öffnen und zu schließen.
Gemäß einer Ausführungsform, und wie vorstehend beschrieben, stellen das neue Labyrinthdichtungsdesign und die hierin offengelegte aktive Spaltsteuerungsstrategie einen axialen Freiheitsgrad für eine rotierende Komponente bereit, um dadurch eine Einstellung zwischen der rotierenden Komponente und der stationären Komponente vorgesehener radialer Spalte nach Bedarf bereitzustellen. Im Wesentlichen können die Komponenten der Labyrinthdichtung (z. B. die Zähne) und damit zusammenarbeitende Rippen und Nuten auf jeder von der rotierenden Komponente oder der stationären Komponente ausgebildet sein. Beispielsweise sind für die Dichtungen zwischen einer Rotorschaufelspitze und dem Stator die Zähne typischerweise auf dem Stator ausgebildet, aber für die Dichtungen zwischen dem Leitapparat und dem Rotor sind die Zähne typischerweise auf dem Rotor ausgebildet. In noch einer weiteren alternativen Ausführungsform können die Zähne und/oder die damit zusammenarbeitenden Rippen und Nuten sowohl auf dem Rotor als auch auf dem Stator ausgebildet sein. Die Position der Rippen und der Nuten ist so ausgelegt, dass dieselbe Rotorbetätigung die Spalte für alle Dichtungen unabhängig davon, ob sich die Zähne auf der rotierenden Komponente oder der statischen Komponente befinden, öffnet oder schließt.
In den 4–11 sind vergrößerte schematische Darstellungen von Abschnitten mehrerer Labyrinthdichtungsdesigns und aktiver Spaltsteuerungsstrategien gemäß hierin offengelegten Ausführungsformen dargestellt. Wie vorstehend angemerkt, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten. Insbesondere ist in den 4–6 eine insgesamt mit 150 bezeichnetes neues Labyrinthdichtungsdesign zwischen Stufen des Triebwerkbetriebs dargestellt. In dieser speziellen Ausführungsform sind eine rotierende Komponente 152 und eine stationäre Komponente 154, die im Wesentlichen der rotierenden Komponente 102 und der stationären Komponente 104 von 3 ähnlich sind, dargestellt. In einer Ausführungsform ist die rotierende Komponente 152 ein Rotor und die stationäre Komponente 154 ist ein Stator. Die rotierende Komponente 152 enthält ein bogenförmiges Dichtungselement 158 mit mehreren radial vorstehenden axial beabstandeten Zähnen 162, im Wesentlichen ähnlich den Zähnen 122 von 3. Die Zähne 162 haben wie vorstehend beschrieben ein Hoch/Niedrig-Design und beinhalten mehrere lange Zähne 164 und mehrere kurze Zähne 166. Zusätzlich stellt die stationäre Komponente 154 mehrere radial vorstehende Rippen oder Stege 168 und mehrere Nuten oder Taschen 170 im Wesentlichen ähnlich den Rippen 124 und den Nuten 126 von 3 bereit. In dieser speziellen Ausführungsform sind die Rippen 168 von variierender Höhe und enthalten abwechselnd mehrere lange Rippen 172 und kurze Rippen 174. Die langen Rippen und die kurzen Rippen 172, 174 haben im Abstand dazwischen die mehreren Nuten oder Taschen 170 angeordnet. Insbesondere ist in der dargestellten Ausführungsform die Labyrinthdichtung 150 mit einer ersten Nut 176 und einer zweiten zwischen jedem Paar der langen Rippen 172 angeordneten zweiten Nut 178 und mit einer kurzen Rippe 174 ausgebildet, die zwischen der ersten Nut 176 und der zweiten Nut 178 angeordnet ist. In einer alternativen Ausführungsform wie z. B. an einer Turbinenendabdichtungsstelle (am besten in 7 dargestellt) können die mehreren langen Rippen 172 und die kurzen Rippen 174 in einer nicht abwechselnden Beziehung angeordnet sein.
Gemäß nochmaligem Bezug auf die 4–6 sind die Abmessungen der mehreren Rippen 168 und Nuten oder Taschen 170 über die gesamte Turbomaschine so ausgelegt, dass sie eine einwandfreie Positionierung der mehreren radial vorstehenden und axial beabstandeten Zähnen 162 durch die gesamte Turbomaschine hindurch ermöglichen. Insbesondere haben in der in den 4–6 dargestellten Ausführungsformen die Nuten 170 und insbesondere die erste Nut 176 und die zweite Nut 178 jeweils eine Axialdimensionsbreite ”x” bzw. ”y”, wobei ”x” größer als null ist (x > 0) und ”y” größer als null (y > 0) ist. In einer Ausführungsform kann ”x” gleich ”y” (x = y) sein. In einer alternativen Ausführungsform kann ”x” ungleich ”y” sein (x ≠ y). Zusätzlich wird eine einwandfreie Positionierung der mehreren radial vorstehenden axial beabstandeten Zähne 162 erreicht, indem die axiale Position der rotierenden Komponente 152 unter Anwendung von zeitlich geeignet beabstandeten ”N” Betätigungen gesteuert wird (wobei N im Bereich von 1 bis Unendlich liegt, und Unendlich der einschränkende Fall einer kontinuierlichen Betätigung ist).
In der dargestellten Ausführungsform erfordert die aktive Spaltsteuerungsstrategie, dass jeder von den langen Zähnen 166 und den kurzen Zähnen 164 in oder zu einer Nut 170 während Übergangszuständen, d. h., bei Triebwerks-Stop/Start positioniert oder ausgerichtet ist, wie es am besten in 4 dargestellt ist. Anschließend an die Betätigung der rotierenden Komponente 152 unterliegt die rotierende Komponente 152 einer Wärmeausdehnung, wie es in 5 dargestellt ist. Während dieses Betriebszustandes dehnt sich die rotierende Komponente 152 aus, was hierin auch als Längung oder Wachstum in einer axialen Richtung in Bezug auf ein Axialdrucklager bezeichnet wird, wie es durch den axialen Richtungspfeil 180 dargestellt wird. Während dieses Stadiums ist die rotierende Komponente 152 in Bezug auf die stationäre Komponente 154 in ihrem längsten Zustand. Wenn der stabile Triebwerksbetrieb erreicht ist, wie es in 6 dargestellt ist, ist die rotierende Komponente 152, nachdem sie in Bezug auf die stationäre Komponente 154 axial gewachsen ist oder sich verlängert hat, axial ausgerichtet, wie es durch den axialen Richtungspfeil 182 dargestellt wird, dass sie die zwischen der rotierenden Komponente 152 und der stationären Komponente 154 ausgebildete Spalte ”schließt”. Diese axiale Ausrichtung der rotierenden Komponente 152 positioniert jeden von den kurzen Zähnen 164 in Ausrichtung zu einer von den langen Rippen 172 und jeden von den langen Zähnen 166 in Ausrichtung zu einer der kurzen Rippen 174, um dadurch die radialen Spalte zwischen der rotierenden Komponente 152 und der stationären Komponente 154 zu schließen.
In 7 sind Ausgestaltungen verschiedener Dichtungsdesigns und insbesondere ein Design, das eine Strömungspfaddichtung 190, eine Einlassendabdichtung 192 und eine Auslassendabdichtung 184 dargestellt, wovon jede die Dichtungsausgestaltung während verschiedenen Betriebszustände einschließlich eines Kaltstarts 195, bei einem langen, 196, stabilen, 197 und kurzen Rotor 198 darstellt. Insbesondere ist eine Strömungspfaddichtung 190 wie die vorstehend beschriebene dargestellt. Zusätzlich sind Stirndichtungen 192 und 194 dargestellt, in welchen die mehreren langen Rippen, wie z. B. die langen Rippen 172, und kurzen Rippen, wie z. B. die kurzen Rippen 174, in einer nicht abwechselnden Beziehung ausgestaltet sein können. Zusätzlich können die Zähne und/oder die damit zusammenwirkenden Rippen und Nuten sowohl auf den rotierenden als auch stationären Komponenten ausgebildet sein. In den dargestellten Ausgestaltungen ist ein kleinerer Betätigungshub erforderlich, als des eines (momentan beschriebenen) asymmetrischen Designs. Dieses kann zu einem größeren Betätigungsfehlerspielraum führen.
In den 8–11 sind vergrößerte schematische Darstellungen von Abschnitten eines Labyrinthdichtungsdesigns und aktiver Spaltsteuerungsstrategien gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Insbesondere ist ein mit 200 bezeichnetes neues Labyrinthdichtungsdesign während Stadien eines Triebwerkbetriebs dargestellt. Wie vorstehend angemerkt, sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen durch die offengelegten Ausführungsformen bezeichnet. In dieser speziellen Ausführungsform sind eine rotierende Komponente 152 und eine stationäre Komponente 154, im Wesentlichen ähnlich zur rotierenden Komponente 102 und stationären Komponente 104 von 3 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform und im Gegensatz zur der in den 4–7 dargestellten vorstehenden Ausführungsform enthält die stationäre Komponente ein bogenförmiges Dichtungselement 158 mit mehreren radial vorstehenden axial beabstandeten Zähnen 162 im Wesentlichen ähnlich zu den Zähnen 122 von 3. Die Zähne 162 haben, wie vorstehend beschrieben, ein Hoch/Niedrig-Design und beinhalten mehrere lange Zähne 164 und mehrere kurze Zähne 166. Zusätzlich ist die rotierende Komponente 152 darin mit mehreren radial vorstehenden Rippen oder Stegen 168 und mehreren Nuten oder Taschen 170 im Wesentlichen ähnlich zu den Rippen 124 und den Nuten 126 von 3 versehen. In dieser speziellen Ausführungsform sind die Rippen 168 von variierender Höhe und enthalten abwechselnd mehrere lange Rippen 172 und kurze Rippen 174. Die langen und kurzen Rippen 172, 174 haben dazwischen die mehreren Nuten oder Taschen 170 in Abstand angeordnet.
Wie vorstehend angegeben, sind die Abmessung der mehreren Rippen 168 und Nuten 170 durch die gesamte Turbomaschine hindurch so ausgelegt, dass sie eine einwandfreie Positionierung der mehreren radial vorstehenden axial beabstandeten Zähne 162 durch die gesamte Turbomaschine hindurch ermöglichen. Insbesondere haben in der in den 8–10 dargestellten Ausführungsformen die Nuten 170 und insbesondere eine erste Nut 176 eine Axialabmessungsbreite ”x”, wobei ”x” größer als null (x > 0) ist. Eine zweite Nut wird als im Wesentlichen ähnlich wie in der unter Bezugnahme auf die 4–6 dargestellten Ausführungsformen angeordnet beschrieben, hat aber eine axiale Abmessungsbreite von ”y” von null. Demzufolge ist die zweite Nut nicht sichtbar, wie es in der dargestellten Ausführungsform gezeigt ist. Insbesondere ist in der dargestellten Ausführungsform die Labyrinthdichtung 200 mit einer zwischen jedem Paar von langen Rippen 172 angeordneten ersten Nut 176 und mit einer zwischen der ersten Nut 176 und der zweiten Nut angeordneten kurzen Rippe 174 ausgestaltet, wobei die zweite Nut eine Axialabmessungsbreite ”y” von null hat. Alternativ kann die Ausführungsform als mit nur einer zwischen jeder von den langen Rippen 172 und den kurzen Rippen 174 angeordneten Nut 176 beschrieben werden, wobei jeder von den langen Zähnen 162 zu der Nut 176 während eines (vorstehend beschriebenen) Übergangszustandes ausgerichtet ist, was zu einer asymmetrischen Dichtungsdesign führt. Zusätzlich wird eine einwandfreie Positionierung der mehreren radial vorstehenden in axialem Abstand angeordneten Zähne 162 erreicht, indem die axiale Position der rotierenden Komponente 152 unter Anwendung von zeitlich geeignet beabstandeten ”N” Betätigungen, erreicht (wobei N im Bereich von 1 bis Unendlich liegt, und Unendlich der einschränkende Fall einer kontinuierlichen Betätigung ist).
In der dargestellten Ausführungsform ist die aktive Spaltsteuerungsstrategie im Wesentlichen ähnlich der vorstehend unter Bezugnahme auf die 4–7 beschriebenen, erfordert aber im Gegensatz dazu, dass jeder von den langen Zähnen 166 in einer oder zu einer von den mehreren Nuten 170 positioniert oder dazu ausgerichtet ist, und die kurzen Zähne 164 zu einer kurzen Rippe 174 während der Übergänge, d. h., Triebwerks-Stop/Start ausgerichtet sind, wie es am besten in 8 dargestellt ist. Anschließend an die Betätigung der rotierenden Komponente 152 unterliegt die rotierende Komponente 152 einer Wärmeausdehnung, wie es in 9 dargestellt ist. Während dieses Betriebszustandes dehnt sich die rotierende Komponente 152 aus, und verlängert sich oder wächst in einer axialen Richtung in Bezug auf ein Axialdrucklager, wie es durch den axialen Richtungspfeil 180 dargestellt wird. Während dieses Stadiums ist die rotierende Komponente 152 in Bezug auf die stationäre Komponente 154 in ihrem längsten Zustand. Wenn der stabile Triebwerksbetrieb erreicht ist, wie es in 10 dargestellt ist, ist die rotierende Komponente 152, nachdem sie in Bezug auf die stationäre Komponente 154 axial gewachsen ist oder sich verlängert hat, axial ausgerichtet, wie es durch den axialen Richtungspfeil 182 dargestellt wird, dass sie die zwischen der rotierenden Komponente 152 und der stationären Komponente 154 ausgebildete Spalte ”schließt”. Diese Ausrichtung der rotierenden Komponente 152 positioniert jeden von den kurzen Zähnen 164 in Ausrichtung zu einer von den langen Rippen 172 und jeden von den langen Zähnen 166 in Ausrichtung zu einer der kurzen Rippen 174, um dadurch die radialen Spalte zwischen der rotierenden Komponente 152 und der stationären Komponente 154 zu schließen. Das Turbomaschinendichtungsdesign und die optimale aktive Spaltsteuerungsstrategie werden mittels Optimierung auf Systemebene erzielt.
In 11 sind nun Ausgestaltungen verschiedener Dichtungsdesigns und insbesondere ein Design dargestellt, das eine Strömungspfaddichtung 200, eine Einlassendabdichtung 202 und eine Auslassendabdichtung 204 repräsentiert, wobei jede eine Dichtungsausgestaltung während verschiedener Betriebszustände einschließlich eines Kaltstarts 205, eines langen, 206, eines stabilen, 207 und eines kurzen Rotors 208 darstellt. Insbesondere ist eine Strömungspfaddichtung 200 wie die vorstehend beschriebene dargestellt. Zusätzlich sind Endabdichtungen 202 und 204 dargestellt, in welchen die mehreren langen Rippen, wie z. B. die langen Rippen 172 und die kurzen Rippen, wie z. B. die kurzen Rippen 174 in einer nicht abwechselnden Beziehung angeordnet sein können. Zusätzlich können die Zähne und/oder die damit zusammenwirkenden Rippen und Nuten sowohl auf den rotierenden als auch stationären Komponenten ausgebildet sein. In den dargestellten asymmetrischen Dichtungsausgestaltungen kann eine verringerte axiale Spanne der Dichtung im Vergleich zu einem hierin beschriebenen Grund- oder symmetrischen Design vorliegen.
Die verschiedenen Ausführungsformen des exemplarischen Dichtungsdesigns ermöglichen eine verbesserte Turbomaschinenleistung zusammen mit einer größeren Betriebsflexibilitat, indem sie ein aktives Spaltmanagement ermöglichen, das die Wahrscheinlichkeit von Dichtungsreibvorgängen reduziert, welche zu einer erhöhten Leckage führen würden. Die Verringerung des Spalts im stabilen Betriebszustand führt zu einer signifikanten Erhöhung im Einfachzykluswirkungsgrad ohne Zunahme in der Belegungsfläche der Turbomaschine. Zusätzlich können das neue Dichtungsdesign und die aktive Spaltsteuerungsstrategie zu einer Reduzierung in Reibvorgängen führen, was zu einer größeren Zuverlässigkeit, Verringerung von Treibstoffkosten, einer kompakteren Konstruktion mit bis zu 10 Prozent Verringerung in der Dichtungsspanne für Dampfturbinen (ST), Reduzierung von Wartungsausfallzeiten und Kosteneinsparungen gegenüber Abrieb-, Bürstendichtungen oder anderen bekannten Dichtungstechnologien führt.
In 12 ist in einer insgesamt mit 300 bezeichneten exemplarischen graphischen Darstellung die Auswirkung der Betätigungselementverschiebung dargestellt, soweit sie das Betätigungsprofil eines Dichtungsdesigns und die aktive Spaltsteuerungsstrategie gemäß einer Ausführungsform betrifft. Insbesondere veranschaulicht der Graph 300 ein Betätigungsprofil gemäß einer Ausführungsform, die die axiale Verschiebung des Betätigungselementes (aufgetragen in der Achse 302) mit dem Betätigungsprofil (aufgetragen in der Achse 304) veranschaulicht.
Bei einer ersten Position, 306, ist eine Nullbetätigung oder Kaltzustand dargestellt. Bei einer Position 308 kann, wenn die rotierende Komponente einer Wärmeausdehnung unterworfen ist und der Zustand einer langen Rotationskomponente erreicht ist, kann die rotierende Komponente axial zu dem Axialdrucklager hin, d. h., um etwa 5,08 mm (200 mils) angepasst sein. Bei einer Position 310, ein Zeitpunkt, an dem ein stabiler Betriebszustand erreicht ist, kann der Rotor minimal in einer axialen Richtung angepasst sein, um einen Spaltverschluss zu erreichen. Die Turbine darf an diesem Punkt arbeiten. Wenn die Turbine heruntergefahren wird, wird die rotierende Komponente, wie es bei der Position 312 dargestellt ist, in einer von der Startposition 306 weg gerichteten Position angepasst. Die rotierende Komponente wird allmählich angepasst oder axial zu der Ausgangsposition 306 bei einer Position 314 zurückgezogen, während sich die rotierende Komponente abkühlt.
In 13 sind in einer insgesamt mit 350 bezeichneten exemplarischen graphischen Darstellung Vorteile dargestellt, die durch die Verwendung des Dichtungsdesigns und der aktiven Spaltsteuerungsstrategie gemäß einer Ausführungsform erzielt werden. Insbesondere ist in 13 ein Beispiel des Nutzens dargestellt, der durch die Implementation der aktiven Spaltsteuerung (ACC) wie hierin beschrieben für eine A-16 Rotationsmaschine erzielt wird. Insbesondere veranschaulicht die Graphik 350 verschiedene Implementationsstrategien gemäß hierin offengelegten Ausführungsformen (aufgetragen in der Achse 352) mit als eine Abnahme des (in der Achse 354 aufgetragenen) Wärmeaufwandskoeffizienten.
Ein Wärmeaufwandskoeffizient für eine A-16 Basisrotationsmaschine ohne Implementation des Dichtungsdesigns und der aktiven Spaltsteuerungsstrategie, wie hierin offengelegt, ist bei dem Balken 356 dargestellt. Wenn das Dichtungsdesign und die aktive Spaltsteuerungsstrategie wie hierin offengelegt, in dem Hochdruck-(HP)-Abschnitt implementiert wird, wird, wie es bei dem Balken 358 dargestellt ist, der Wärmeaufwandskoeffizient verringert. Eine Implementation des Dichtungsdesigns und der aktiven Spaltsteuerungsstrategie, wie hierin offengelegt, sowohl in dem HP- als auch Zwischendruck-(IP)-Abschnitt der exemplarischen A-16 Rotationsmaschine bringt den Wärmeaufwandskoeffizienten sogar noch weiter wie es bei dem Balken 360 dargestellt ist. Eine Implementation des Dichtungsdesigns und der aktiven Spaltsteuerungsstrategie, wie hierin offengelegt, in die HP-, IP- und Niederdruck-(NP)-Abschnitte der exemplarischen A16 Rotationsmaschine den Wärmeaufwandskoeffizienten unter den des Balkens 308, wie es bei dem Balken 362 dargestellt ist. In einer Ausführungsform summiert sich dieses auf angenähert 0,3 Prozent Verbesserung im Wirkungsgrad oder zusätzlicher Stromerzeugung von 1,3 MW und kann zu einem angenäherten Kostenvorteil von 1,82 MM Dollar führen.
In 14 sind eine schematische Blockdarstellung einer aktiven Spaltsteuerungsstrategie 400 oder ein Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine dargestellt, um eine relative Bewegung zwischen wenigstens einer rotierenden Komponente und wenigstens einer stationären Komponente einer Turbomaschine unter Verwendung von aktiven Elementen gemäß einer exemplarischen Ausführungsform zu bewirken. Wie in einem ersten Schritt 402 dargestellt, werden eine stationäre Komponente mit einer Innenwand und eine rotierende Komponente, die in Bezug auf die stationäre Komponente positionier wird bereitgestellt. Die rotierende Komponente bildet einen radialen Spalt an einer oder mehreren Dichtungsstellen zwischen der rotierenden Komponente und der Innenwand aus. Anschließend wird im Schritt 404 wenigstens eine Labyrinthdichtung bereitgestellt, die mehrere Einrichtungen enthält, die dafür ausgelegt sind, den radialen Spalt an einer Dichtungsstelle von der einen oder den mehreren Dichtungsstellen in Reaktion auf eine axiale Relativbewegung zwischen der stationären Komponente und der rotierenden Komponente zu öffnen und zu schließen. Schließlich wird bei dem Schritt 406 die rotierende Komponente in Bezug auf die stationäre Komponente radial verschoben, um dadurch den radialen Spalt an der einen oder mehreren Stellen zwischen der rotierenden Komponente und der Innenwand einzustellen, dass er einem vorgegebenen Betriebszustand der Turbomaschine genügt.
Das hierin offengelegte Labyrinthdichtungsdesign und die aktive Spaltsteuerungsstrategie beinhalten mehrere Einrichtungen, die dafür ausgelegt sind, radiale Spalte in Reaktion auf eine axiale Relativbewegung zwischen einer stationären Komponente und einer rotierenden Komponente zu öffnen und zu schließen.
Gemäß Ausführungsformen können das exemplarische Labyrinthdichtungsdesign und die aktive Spaltsteuerungsstrategie mit den Zähnen und damit zusammenarbeitenden Nuten auf jeder von der rotierenden Komponente oder der statische Komponente angeordnet sein. Die Position der Rippen und der Nuten ist so ausgelegt, dass dieselbe Rotorbetätigung die Spalte für alle Dichtungen unabhängig davon, ob sich die Zähne auf dem Rotor oder dem Stator befinden, öffnet oder schließt.
Es dürfte sich verstehen, dass nicht notwendigerweise alle derartigen vorstehend beschriebenen Ziele oder Vorteile mit jeder speziellen Ausführungsform erreicht werden können. Somit wird der Fachmann beispielsweise erkennen, dass hierin beschriebene Systeme und Techniken in einer Weise ausgebildet oder ausgeführt werden können, die einen Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen wie hierin gelehrt erreicht oder optimiert, ohne notwendigerweise weitere hierin gelehrte oder vorgeschlagene Ziele oder Vorteile zu erreichen.
Vorstehendes hat ein neues Dichtungsdesign und eine aktive Spaltsteuerungsstrategie zur aktiven Spaltsteuerung und Spannenreduzierung in Turbomaschinen beschrieben. Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, dürfte es sich für den Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können und Äquivalente deren Elemente ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung ersetzen können. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine spezielle Situation oder ein Material an die Lehren der Erfindung ohne Abweichung von deren wesentlichem Schutzumfang anzupassen. Daher soll diese Erfindung nicht auf die als beste Ausführungsart für die Ausführung dieser Erfindung betrachtete spezielle Ausführungsform beschränkt sein. Es dürfte sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen abdecken sollen, soweit sie unter den tatsächlichen Erfindungsgedanken fallen.
Es werden ein Labyrinthdichtungsdesign, eine aktive Spaltsteuerungsstrategie und ein Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine bereitgestellt. Das Labyrinthdichtungsdesign beinhaltet mehrere Einrichtungen, die zum Öffnen und Schließen radialer Spalte in Reaktion auf eine axiale Relativbewegung zwischen einer stationären Komponente und einer rotierenden Komponente ausgestaltet sind. Die aktive Spaltsteuerungsstrategie und das Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine bewirken das Erzielen einer Relativbewegung zwischen einer rotierenden Komponente und einer stationären Komponente der Turbomaschine unter Einsatz aktiver Elemente. Die axiale Verschiebung der rotierenden Komponente in Bezug auf die stationäre Komponente bewirkt eine Einstellung eines radialen Spaltes an einer oder mehreren Dichtungsstellen zwischen der rotierenden Komponente und der stationären Komponente, um einem vorgegebenen Betriebszustand der Turbomaschine zu genügen.
Bezugszeichenliste

10: Flugzeugtriebwerksanordnung
12: Mittellinienachse
14: Fan-Baugruppe
16: Vorverdichter
18: Kerngasturbinentriebwerk
20: Niederdruckturbine
22: Rotorfanschaufeln
24: Fan-Rotorscheibe
26: Auslassführungsschaufeln
28: Hochdruckverdichter
30: Brenner
32: Hochdruckturbine
32: mehrere Rotorschaufeln
36: Verdichterrotorscheibe
38: erste Antriebswelle
40: zweite Antriebswelle
42: Einlassseite
44: Kerntriebwerksauslassseite
46: Fan-Auslassseite
48: Anteil
50: Anteil
52: Oberflächenkühlervorrichtung
54: Außenwand
56: Oberflächenkühlervorrichtung
58: Innenwand
60: Turbinenwelle
62: stationäres Gehäuse
64: Labyrinthdichtung
66: Dichtungsring
68: bogenförmige Dichtungselemente
70: Dichtungsflächen
72: radial vorstehende, axial beabstandete Zähne
74: Rippen
76: Nuten
100: Rotationsmaschine
102: rotierende Komponente
103: Innenwand von 104
104: stationäre Komponente
105: radiales Spalt
106: Rotor
107: Dichtungsstellen
108: Rotorschaufeln
110: Stator
112: Statorschaufeln
114: Labyrinthdichtung
116: Dichtungsringsegmente
118: bogenförmige Dichtungselemente
120: Dichtungsflächen
122: radial vorstehende, axial beabstandete Zähne
124: radiale Vorsprünge oder Rippen
126: Nuten
128: Richtungspfeil
130: aktives Axialdrucklager
150: Labyrinthdichtung
152: rotierende Komponente
154: stationäre Komponente
155: bogenförmiges Dichtungselement
162: radial vorstehende, axial beabstandete Zähne
164: kurze Zähne
166: lange Zähne
168: Rippen/Stege/Nuten/Taschen
172: lange Rippe
174: kurze Rippen
176: erste Nut
178: zweite Nut
180: axialer Richtungspfeil
182: axialer Richtungspfeil
190: Strömungspfaddichtung
192: Einlassenddichtung
194: Auslassenddichtung
195: Kaltstart
196: langer Rotor
197: stabiler Zustand
198: kurzer Rotor
200: Strömungspfaddichtung
202: Einlassenddichtung
204: Auslassenddichtung
205: Kaltstart
206: langer Rotor
207: stabiler Zustand
208: kurzer Rotor
300: Graph
302: Achse
304: Achse
306: Punkt
308: Punkt
310: Punkt
312: Punkt
314: Punkt
354: Achse
356: Balken
358: Balken
360: Balken
362: Balken
400: Verfahren
402: Schritt
404: Schritt
406: Schritt

Claims

Labyrinthdichtungsdesign (114) für eine Turbomaschine (100), das mehrere Einrichtungen (122, 124, 126) aufweist, die dafür ausgestaltet sind, radiale Spalte in Reaktion auf eine axiale Relativbewegung zwischen einer stationären Komponente (104) und einer rotierenden Komponente (102) zu öffnen und zu schließen.
Labyrinthdichtungsdesign nach Anspruch 1, wobei die rotierende Komponente (102) ein Rotor (106) ist.
Labyrinthdichtungsdesign nach Anspruch 1, wobei die stationäre Komponente (104) ein Stator (110) ist.
Labyrinthdichtungsdesign nach Anspruch 1, wobei das Labyrinthdichtungsdesign (114) mit einem bogenförmigen Dichtungselement (118) ausgestaltet ist, das sich von wenigstens einer von der rotierenden Komponente (102) oder stationären Komponente (104) aus erstreckt, mit mehreren sich radial erstreckenden langen Zähnen (166), die sich aus dem bogenförmigen Dichtungselement (118) erstrecken und mehreren sich radial erstreckenden kurzen Zähnen (164), die sich aus dem bogenförmigen Dichtungselement (118) erstrecken, wobei die langen Zähne (166) und die kurzen Zähne (164) in einer von einer abwechselnden Anordnung oder einer nicht-abwechselnden Anordnung angeordnet sind.
Labyrinthdichtungsdesign nach Anspruch 4, wobei das Labyrinthdichtungsdesign (114) ferner so gestaltet ist, dass es mehrere sich radial erstreckende kurze Rippen (174) und mehrere sich radial erstreckende lange Rippen (172) enthält, die sich von wenigstens einer von der Anderen von der rotierenden Komponente (102) oder der stationären Komponente (104) aus erstrecken, und mehrere erste Nuten (176) und mehrere zweite Nuten (178), die zwischen einem Paar der sich in radial erstreckenden langen Rippen (172) angeordnet sind, wobei jede von den ersten Nuten (176) und den zweiten Nuten (178) zwischen einem Paar von langen Rippen (172) angeordnet ist, und es ferner eine dazwischen angeordnete kurze Rippe (174) hat.
Labyrinthdichtungsdesign nach Anspruch 5, wobei eine von der ersten Nut (176) und der zweiten Nut (178) eine axiale Breitenabmessung gleich Null und die andere von der ersten Nut (176) und der zweiten Nut (178) eine axiale Breitenabmessung größer als Null hat.
Labyrinthdichtungsdesign nach Anspruch 1, wobei die axiale Relativbewegung (128) zwischen der stationären Komponente (104) und der rotierenden Komponente (102) eine oder mehrere Axialbewegungen der rotierenden Komponente (102) beinhaltet, um die Verschiebung der rotierenden Komponente (102) in axialer Richtung in Bezug auf die stationäre Komponente (104) zu bewirken und für ein radiales Schließen der Einrichtungen (122, 124, 126) zu sorgen, die zum Öffnen und Schließen der radialen Spalte angeordnet sind.
Aktive Spaltsteuerungsstrategie zum Bewirken einer Relativbewegung zwischen wenigstens einer rotierenden Komponente (102) und wenigstens einer stationären Komponente (104) einer Turbomaschine (100) unter Verwendung von aktiven Elementen, mit den Schritten: Bereitstellen einer stationären Komponente (104) mit einer Innenwand (103) und einer rotierenden Komponente (102), die in Bezug auf die stationäre Komponente (104) positioniert ist, wobei die rotierende Komponente (102) einen radialen Spalt (105) an einer oder mehreren Dichtungsstellen (107) zwischen der rotierenden Komponente (102) und der Innenwand (103) ausbildet; Bereitstellen wenigstens einer Labyrinthdichtung (114) mit mehreren Einrichtungen (122, 124, 126), die zum Öffnen und Schließen des radialen Spalts (105) an einer Dichtungsstelle (107) von der einen oder den mehreren Dichtungsstellen (107) in Reaktion auf eine axiale Relativbewegung (128) zwischen der stationären Komponente (104) und der rotierenden Komponente (102) angeordnet sind; und axiales Verschieben der rotierenden Komponente (102) in Bezug auf die stationäre Komponente (104), um dadurch den radialen Spalt (105) an der einen oder mehreren Dichtungsstellen (107) zwischen der rotierenden Komponente (102) und der Innenwand (103) einzustellen, um einem vorgegebenen Betriebszustand der Turbomaschine (100) zu genügen.
Aktive Spaltsteuerungsstrategie nach Anspruch 8, wobei die Labyrinthdichtung (114) ausgestaltet ist, mit: einem bogenförmigen Dichtungselement (158) ausgestaltet ist, das sich von wenigstens einer von der rotierenden Komponente (102) oder stationären Komponente (104) aus erstreckt, mit mehreren sich radial erstreckenden langen Zähnen (166), die sich aus dem bogenförmigen Dichtungselement (158) erstrecken und mehreren sich radial erstreckenden kurzen Zähnen (164), die sich aus dem bogenförmigen Dichtungselement (158) erstrecken, wobei die langen Zähne (166) und die kurzen Zähne (164) in einer von einer abwechselnden Anordnung oder einer nicht-abwechselnden Anordnung angeordnet sind; und mehreren sich radial erstreckenden kurzen Rippen (174) und mehreren sich radial erstreckenden langen Rippen (172), die sich von wenigstens einer von der Anderen von der rotierenden Komponente (102) oder der stationären Komponente (104) aus erstrecken, und mehreren ersten Nuten (176) und mehreren zweiten Nuten (178), die zwischen einem Paar der sich in radial erstreckenden langen Rippen (172) angeordnet sind, wobei jede von den ersten Nuten (176) und den zweiten Nuten (178) zwischen einem Paar von langen Rippen (172) angeordnet ist, und sie ferner eine dazwischen angeordnete kurze Rippe (174) hat.
Verfahren (400) zum Betreiben einer Turbomaschine (100), mit den Schritten: Bereitstellen (402) einer Turbomaschine mit einer stationären Komponente mit einer Innenwand und einer in Bezug auf die stationäre Komponente positionierten rotierenden Komponente, wobei die rotierende Komponente mehrere Schaufeln trägt, wovon jede eine einer Innenwand gegenüberliegende Schaufelspitze besitzt und einen radialen Spalt zwischen jeder Schaufelspitze und der Innenwand ausbildet; Bereitstellen (404) einer Labyrinthdichtung mit mehreren Einrichtungen, die dafür ausgestaltet sind, den radialen Spalt in Reaktion auf die relative axiale Verschiebung zwischen der stationären Komponente und der rotierenden Komponente zu verschließen; und axiales Verschieben (406) der rotierenden Komponente in Bezug auf die stationäre Komponente, um dadurch den radialen Spalt zwischen der Schaufelspitze und der Innenwand einzustellen, um einem gegebenen Betriebszustand der Turbomaschine zu genügen.