-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Stator, einem Rotor und einer zwischen dem Stator und dem Rotor angeordneten Dichtungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der Druckschrift
DE 29 01 134 A1 bekannt ist.
-
Die Druckschrift
JP 2002-364 755 A offenbart eine Lamellendichtung mit mehreren Lamellen. Die einzelne Lamelle weist einen radial verlaufenden oberen Bereich und einen radial schräg nach innen verlaufenden unteren Bereich auf. Der obere Bereich wird in einer radial außen angeordneten Tragstruktur eingespannt, von der der untere Bereich der Lamelle radial schräg nach innen verläuft. Dabei ist die Lamelle mit den Bereichen entweder eine Deckplatte oder aber eine Biegeplatte. Die beiden Bereiche können nicht gleichzeitig die Tragstruktur, die Biegeplatte und die Deckplatte darstellen.
-
Ferner ist in der Druckschrift
DE 60 2004 012 920 T2 eine Lamellendichtung mit mehreren Lamellen offenbart.
-
Die Druckschrift
DE 10 2012 200 883 A1 offenbart eine Dichtungsanordnung für eine Strömungsmaschine mit einer Mehrzahl von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Reihen von in Umfangsrichtung miteinander verbundenen Muscheln, wobei in Axialrichtung benachbarte Muscheln gegen eine Durchströmung geöffnete Querschnitte und eine gegen die Durchströmungsrichtung geneigte Fädelachse aufweisen.
-
In Strömungsmaschinen wird ein Strömungsmedium im Wesentlichen durch Leiträder und Laufräder geführt. Zwischen den mit einem Gehäuse verbundenen, feststehenden Leiträdern und rotierenden Wellen einerseits, und zwischen den sich drehenden Laufrädern und dem Strömungsmaschinengehäuse andererseits entstehen konstruktionsbedingte und betriebsbedingte Spalte, durch die das Strömungsmedium neben der gewünschten Durchströmung durch die Leiträder und die Laufräder vorbeiströmt. Diese Spaltströmungen vermindern in der Regel den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine. Daher werden diese Spaltströmungen oft durch unterschiedliche Dichtungsanordnungen minimiert.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine mit einer Dichtungsanordnung zwischen einem Rotor und einem Stator vorzuschlagen, wobei die Dichtungsanordnung einfach und kostengünstig herstellbar sein soll und die den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine verbessert.
-
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine mit einer Dichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird somit eine Strömungsmaschine mit einem Stator und einem Rotor vorgeschlagen, wobei die Dichtungsanordnung zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet ist. Die Dichtungsanordnung ist mit dem Stator verbunden. Die Dichtungsanordnung weist wenigstens eine Oberflächenstruktur und eine Tragstruktur auf. Die Tragstruktur ist mit radial ausgerichteten Biegeplatten verbunden. Die Oberflächenstruktur weist Deckplatten auf, die sich gegenseitig überlappen. Die Deckplatten und die Tragstruktur sind mittels der verformbaren Biegeplatten und Verbindungsstegen miteinander verbunden. Dabei sind die Deckplatten mit Biegeplatten in einem ersten Bereich an den radial inneren Enden mit Verbindungsstegen und diese Verbindungsstege mit weiteren Biegeplatten in einem zweiten Bereich verbunden.
-
Bei allen vorstehenden und folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks „kann sein” bzw. „kann haben” usw. synonym zu „ist vorzugsweise” bzw. „hat vorzugsweise” usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße Ausführungsformen erläutern.
-
Wann immer hierin Zahlenworte genannt werden, so versteht der Fachmann diese als Angabe einer zahlenmäßig unteren Grenze. Sofern dies zu keinem für den Fachmann erkennbaren Widerspruch führt, liest der Fachmann daher beispielsweise bei der Angabe „ein” oder „einem” stets „wenigstens ein” oder „wenigstens einem” mit. Dieses Verständnis ist ebenso von der vorliegenden Erfindung mit umfasst wie die Auslegung, dass ein Zahlenwort wie beispielsweise „ein” alternativ als „genau ein” gemeint sein kann, wo immer dies für den Fachmann erkennbar technisch möglich ist. Beides ist von der vorliegenden Erfindung umfasst und gilt für alle hierin verwendeten Zahlenworte.
-
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.
-
Erfindungsgemäße Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale aufweisen.
-
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Strömungsmaschine, zumindest abschnittsweise, ein Turboverdichter.
-
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen berühren sich die überlappenden Deckplatten. Insbesondere liegen die Deckplatten zumindest abschnittsweise flächig aneinander. Die sich überlappenden Deckplatten können als dachziegelartige Oberflächenform bezeichnet oder beschrieben werden.
-
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Deckplatten mehreckig, z. B. fünfeckig, ausgeführt. Die Deckplatten können, zumindest abschnittsweise, abgerundete Oberflächenformen aufweisen. Eine mögliche Form der Deckplatten ist die sogenannte dachziegelartige Biberschwanzform.
-
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden die Deckplatten durch Eindrücken von Dichtspitzen, die beispielsweise auf radialen Laufradenden oder auf rotierenden Wellen zum Abdichten gegen Leiträder angeordnet sein können, verformt oder verschoben. Die Deckplatten können beispielsweise radial verschoben werden, indem die Biegeplatten elastisch und/oder plastisch verformt werden. Eine Oberflächenstruktur mit Deckplatten, die durch Eindrücken verformt wird, kann als eindrückbar verformbare Oberflächenstruktur bezeichnet werden.
-
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die in einem ersten Bereich befindlichen Deckplatten radial aussen angeordnet. Die Biegeplatten sind radial stehend ausgerichtet. Bei Aufbringen einer Kraft auf die Deckplatten, beispielsweise mittels Dichtspitzen eines Laufrads oder einer Welle, können die Biegeplatten des ersten Bereichs und/oder die Biegeplatten des zweiten Bereichs verformt werden. Die Verformung kann elastisch bzw. rückfedernd oder plastisch oder teilweise elastisch und teilweise plastisch erfolgen.
-
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die radial inneren Enden der weiteren Biegeplatte im zweiten Bereich mit weiteren Verbindungsstegen verbunden. Bei Aufbringen einer Kraft auf die Deckplatten können die Biegeplatten des ersten Bereichs und/oder die Biegeplatten des zweiten Bereichs und/oder die Biegeplatten des dritten Bereihs verformt werden. Die Verformung kann elastisch bzw. rückfedernd oder plastisch oder teilweise elastisch und teilweise plastisch erfolgen.
-
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Biegeplatten in einem dritten Bereich an ihren radial inneren Ende mit der Tragstruktur verbunden. Die Verbindung ist insbesondere mit einer hohen Festigkeit ausgeführt, um etwa ein Ablösen oder Abplatzen eines größeren Bereichs von Biegeplatten und Deckplatten zu verhindern. Ein derartiges Ablösen oder Abplatzen könnte größere Schäden innerhalb der Strömungsmaschine verursachen.
-
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Biegeplatten im ersten Bereich versetzt zum zweiten Bereich und/oder die Biegeplatten im zweiten Bereich versetzt zum dritten Bereich angeordnet. Die Richtung dieser Versetzungsanordnung ist senkrecht zur Radialrichtung und parallel zur Umfangsrichtung der Strömungsmaschine ausgerichtet. Die Versetzungen können in jedem Bereich und relativ zu den anderen Bereichen glecihmäßig oder ungleichmäßig angeordnet sein. Ungleichmäßige Anordnungen können vorteilhaft sein, wenn beispielsweise bestimmte Belastungssituationen von Kräften auf die Deckplatten bekannt und mittels der Versetzungen zumindest teilweise durch die Verformungen kompensiert werden sollen.
-
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen bilden die Deckplatten eine geschlossene Oberfläche. Eine geschlossenen Oberfläche kann vorteilhaft sein, um beispielsweise eine gleichmäßige Dichtfunktion zu erzielen und damit den Wirkungsgrad durch Spaltverluste zu optimieren.
-
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Oberflächenstruktur elastisch und/oder plastisch verformbar. Eine elastische und/oder plastische Verformung wird wesentlich durch die konstruktive Gestaltung und die Materialauswahl der Biegeplatten und der Verbindungsstege beeinflusst. Die elastischen Eigenschaften können beispielsweise durch zumindest eine teilweise Verwendung von Federstählen für die Biegeplatten erhöht werden.
-
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Tragstruktur plastisch verformbar. Eine zumindest teilweise plastische Verformung kann vorteilhaft sein, um eine kontinuierliche Berührung, und damit eine mögliche thermische Belastung durch Reibenergie, zwischen den Deckplatten und Dichtspitzen zu vermeiden. Andererseits kann eine zu starke plastische Verformung zu einem vergrößerten Spalt führen und die Dichtfunktion verschlechtern.
-
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Biegeplatten und/oder die Verbindungsstege aus Metall hergestellt oder weisen Metall auf.
-
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Tragstruktur Kühlluftöffnungen auf, insbesondere bei Verwendung heißer Strömungsmedien in der Strömungsmaschine. Als Kühlluft kann das Strömungsmedium selbst wirken, das beispielsweise durch eine vorherige Strömungsführung in Aussenbereichen des Gehäuses abgekühlt werden kann, oder es kann beispielsweise ein von aussen zugeführtes Kühlmedium verwendet werden.
-
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Kühlluftöffnungen Durchbrüche, insbesondere Bohrungen, Löcher oder ähnliches, die senkrecht zur Oberfläche der Biegeplatten angeordnet sind.
-
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Dichtungsanordnung eine Einlaufdichtung.
-
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen überlappen sich die Deckplatten in Umfangsrichtung. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein Rotor, z. B. ein Laufrad oder eine Welle als Rotor, sich in Überlappungsrichtung der Deckplatten bewegt. Die erfindungsgemäß verformbaren Biegeplatten können dann in Rotationsrichtung und/oder in Radialrichtung, elastisch und/oder plastisch, verformt werden. Vereinfacht ausgedrückt wird die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung in die Rotationsrichtung und/oder in die Radialrichtung weggedrückt. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung, welche an einem radial inneren Ende einer Leitschaufel angeordnet ist, von einer Welle mit Dichtspitzen schräg nach radial außen und in Rotationsrichtung weggedrückt werden. Als weiteres Beispiel kann die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung, welche an einem inneren Gehäusebereich einer Strömungsmaschine angeordnet ist, von einer Laufschaufel bzw. einem Laufschaufelrad mit Dichtspitzen schräg nach radial außen und in Rotationsrichtung weggedrückt werden.
-
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die sich überlappenden Deckplatten maximal 30 Grad zur Umfangsrichtung und/oder mininmal 60 Grad zur Radialrichtung angeordnet. Beispielsweise können die Deckplatten in einem Winkel von 15 Grad zur Umfangsrichtung in Radialrichtung überlappend zueinander angeordnet sein.
-
Manche oder alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen können einen, mehrere oder alle der oben und/oder im Folgenden genannten Vorteile aufweisen.
-
Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung kann vorteilhaft einfach und kostengünstig hergestellt werden.
-
Mit der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung, insbesondere als Einlaufdichtung, kann der Dichtspalt beispielsweise zwischen einem Leitrad und einer rotierenden Welle oder zwischen einem Laufrad und einem Gehäuse der Strömungsmaschine vorteilhaft minimiert werden. Insbesondere durch rückfedernde (elastische) Eigenschaften der Biegeplatten nach einem Eindrücken einer Dichspitze in die Oberflächenstruktur kann der Dichtspalt minimiert werden, so dass der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine optimiert werden kann.
-
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den jeweils schematisch vereinfachten Figuren gilt:
-
1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung mit einer Oberflächenstruktur, einer Tragstruktur, Biegeplatten und Verbindungsstegen;
-
2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Dichtungsanordnung mit Kühlluftöffnungen in den Verbindungsstegen; und
-
3 zeigt eine Aufsicht einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung auf eine Oberflächenstruktur.
-
1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 100 mit einer Oberflächenstruktur 200, einer Tragstruktur 1, Biegeplatten 3 und Verbindungsstegen 5.
-
Die Oberflächenstruktur 200 weist Deckplatten 7 auf, die in einem Winkel 8 von ca. 15 Grad zur Umfangsrichtung dachziegelartig überlappend angeordnet sind. Die überlappenden Deckplatten 1 bilden eine weitgehend geschlossene Oberfläche in einer Ebene parallel zur Axialrichtung a und zur Umfangsrichtung u (senkrecht zur Radialrichtung r).
-
Die Deckplatten 7 sind mit den Biegeplatten 3 in einem ersten (radialen) Bereich 9 verbunden. Die in Radialrichtung r ausgerichteten Biegeplatten 3 sind an den radial inneren Enden mit Verbindungsstegen 5 verbunden. Diese Verbindungsstege 5 sind mit weiteren Biegeplatten 3 in einem zweiten Bereich 11 verbunden, die wiederum an ihrem radial inneren Ende mit weiteren Verbindungsstegen 5 verbunden sind. Die Biegeplatten 3 sind in einem dritten Bereich 13 an ihren radial inneren Ende mit der Tragstruktur 1 verbunden.
-
Die Dichtungsanordnung 100 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Einlaufdichtung ausgeführt. Die Einlaufdichtung kann beispielsweise an einem radial inneren Ende von Leitschaufeln (z. B. in einem Turboverdichter) angeordnet sein, oder an einem Strömungsmaschinengehäuse gegen ein rotierendes Laufrad. Zur Ausbildung eines Dichtungsspalts können sich beispielsweise Dichtspitzen an rotierenden Wellen (zum Abdichten gegen Leitschaufeln) oder an Laufradspitzen (zum Abdichten gegen ein Gehäuse) in die Oberflächenstruktur 200 eindrücken. Bei einem Eindrücken von Dichtspitzen in die Oberflächenstruktur 200 (in 1 entgegen der Radialrichtung r), insbesondere senkrecht zur Oberfläche der Deckplatten 7 und somit schräg zur Oberflächenstruktur 200, können sich zumindest die Biegeplatten 3 im ersten Bereich 9 durch Umbiegen der radial ausgerichteten Biegeplatten 3 eindrücken. Weiterhin können auch die Biegeplatten 3 des zweiten Abschnitts 11 und des dritten Abschnitts 13 durch Umbiegen der radial ausgerichteten Biegeplatten 3 eingedrückt werden.
-
Die Biegeplatten 3 können einerseits aufgrund elastischer Eigenschaften reversibel (federnd) verformt werden, andererseits, alternativ oder zusätzlich, aufgrund plastischer Eigenschaften irreversibel verformt werden. Die Verbindungsstruktur zwischen den Deckplatten 7 und der Tragstruktur 1 ist insbesondere derart ausgestaltet, dass bei einem Eindrücken der Oberflächenstruktur 200, beispielsweise durch Dichtspitzen (oder Dichtfins) an Laufradschaufeln oder Dichtspitzen an rotierenden Wellen, das Risiko eines Abplatzens oder eines Ablösens von Deckplatten 7 oder von Deckplattensegmenten, minimiert ist. Dies kann beispielsweise durch eine metallische Struktur der Biegeplatten 3 und der Verbindungsstege 5 erreicht werden. Eine metallische Struktur kann eine hohe Festigkeit aufweisen, so dass auch bei starken Deformationen der Biegeplatten 3, der Verbindungsstege 5 und/oder der Tragstruktur 1 dieses Risiko minimiert werden kann.
-
2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Dichtungsanordnung 100 mit Kühlluftöffnungen 15 in den Verbindungsstegen 5. Insbesondere bei heißen Durchströmungsmedien der erfindungsgemäßem Strömungsmaschine können die Kühlluftöffnungen 15 die Verbindungsstege 5 und die Dichtungsanordnung 100 insgesamt kühlen.
-
3 zeigt eine Aufsicht einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 100 auf eine Oberflächenstruktur 200. Die dachziegelartig angeordneten Deckplatten 7 bilden eine geschlossene Oberfläche. An den in Axialrichtung a nebeneinander angeordneten Deckplatten 7 können sich einzelne Spalte ausbilden.
-
Die Dichtspitzen von Laufrädern oder von Wellen werden in 3 in die Zeichenebene (in Radialrichtung r) hinein gedrückt. Insbesondere verläuft die Rotationsrichtung von Dichtspitzen in 3 von links nach rechts. Die Oberflächenstruktur in 3 ist als Abwicklung dargestellt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Dichtungsanordnung
- 200
- Oberflächenstruktur
- 1
- Tragstruktur
- 3
- Biegeplatten
- 5
- Verbindungsstege
- 7
- Deckplatten
- 8
- Winkel der Deckplatten zur Umfangsrichtung
- 9
- erster Bereich
- 11
- zweiter Bereich
- 13
- dritter Bereich
- 15
- Kühlluftöffnung
