DE102014118020A1

DE102014118020A1 - Axial orientiertes Dichtungssystem

Info

Publication number: DE102014118020A1
Application number: DE102014118020.8A
Authority: DE
Inventors: William Edmund Girzone; Xiaoqing Zheng
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2015-06-18
Also published as: JP2015121217A; CN104712376B; CN104712376A; CH708980A2; KR102256876B1; US10041367B2; US20150167486A1; KR20150068906A

Abstract

Ein erster Aspekt der Erfindung stellt ein axial orientiertes Dichtungssystem für eine radiale Spitze eines Turbinenbauteils bereit, wobei das System umfasst: ein feststehendes Turbinenbauteil; ein sich drehendes Turbinenbauteil sowie einen Dichtring, der an dem feststehenden Turbinenbauteil montiert ist, wobei der Dichtring axial zu dem sich drehenden Turbinenbauteil verläuft und mit dem sich drehenden Turbinenbauteil an einer Seitenfläche in engem Kontakt steht, wobei sich die Seitenfläche des sich drehenden Turbinenbauteils an einem durchgehenden, sich drehenden Gegenring mit einem Kreisbogen von 360 Grad befindet.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein Turbinenbauteile für Energieerzeugungsanwendungen und insbesondere axial orientierte Dichtungssysteme, die so ausgelegt sind, dass sie drehende und feststehende Turbinenbauteile (z.B. Turbinenlaufschaufeln, Turbinenleitschaufeln usw.) radial abdichten.
Bei einigen Kraftwerksystemen (z.B. bestimmte Atom-, Gasturbinen-Kraftwerksysteme sowie Gas-und-Dampf-Kombikraftwerksysteme) werden bei ihrer Konstruktion und im Betrieb Turbinen verwendet. Einige dieser Turbinen weisen Turbinenbauteile mit flügelförmigem Querschnitt (z.B. Turbinenschaufeln wie Laufschaufeln und Leitschaufeln) auf, die während des Betriebs mit Fluidströmungen in Kontakt kommen, von denen ein Teil radial über die Spitzen dieser Bauteile (z.B. zwischen einer Laufschaufelspitze und dem Leitrad der Turbine, durch den Laufschaufelzwischenspalt usw.) entweichen kann, wodurch die Fluidströmung beeinflusst und der Turbinenwirkungsgrad vermindert wird. Einige Kraftwerksysteme weisen radiale Dichtungssysteme auf, die an dem Leitrad und/oder den Turbinenbauteilen angeordnet sind, die so ausgelegt sind, dass sie diese Undichtigkeiten durch radiales Abdichten dieses Spalts (z.B. durch Verkleinern und/oder Beseitigen des Spalts zwischen der Bauteilspitze und dem Leitrad) vermindern. Es kann jedoch sein, dass es an der radialen Länge dieser Turbinenbauteile zu Wärmeausdehnung und Rotorbewegungen kommt und folglich zwischen diesen radialen Dichtungssystemen und Turbinenbauteilen Scheuerstellen im radialen Dampfweg auftreten können, die zum Verschleiß und/oder zu Schäden an Bauteilen führen. Diese radialen Dichtungssysteme können zudem Druck- und/oder Temperaturbeschränkungen aufweisen, die Systemanwendungen, Konstruktionsüberlegungen und/oder die Gesamtleistung des Energieerzeugungssystems einschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein erster Aspekt der Erfindung stellt ein axial orientiertes Dichtungssystem für eine radiale Spitze eines Turbinenbauteils bereit, wobei das System umfasst: ein feststehendes Turbinenbauteil; ein sich drehendes Turbinenbauteil sowie einen Dichtring, der an dem feststehenden Turbinenbauteil montiert ist, wobei der Dichtring axial zu dem sich drehenden Turbinenbauteil verläuft und mit dem sich drehenden Turbinenbauteil an einer Seitenfläche in engem Kontakt steht, wobei sich die Seitenfläche des sich drehenden Turbinenbauteils an einem durchgehenden, sich drehenden Gegenring mit einem Kreisbogen von 360 Grad befindet.
Der Gegenring und das sich drehende Turbinenbauteil können einteilig sein.
Der Dichtring jedes beliebigen zuvor erwähnten axial orientierten Dichtungssystems kann aus einer Mehrzahl von Segmenten gebildet sein.
Das sich drehende Turbinenbauteil jedes beliebigen zuvor erwähnten axial orientierten Dichtungssystems kann eine Spitzengrundfläche zum Aufnehmen des durchgehenden, sich drehenden Gegenrings aufweisen.
Jedes von der Mehrzahl von Dichtringsegmenten jedes beliebigen zuvor erwähnten axial orientierten Dichtungssystems kann mindestens zwei Umfangsränder aufweisen und die Mehrzahl von Dichtringsegmenten sind nach jedem jeweiligen Umfangsrand ausgerichtet.
Die Spitzengrundfläche des sich drehenden Turbinenbauteils jedes beliebigen zuvor erwähnten axial orientierten Dichtungssystems kann ein Keilelement zum Einsetzen bei dem durchgehenden, sich drehenden Gegenring aufweisen.
Das axial orientierte Dichtungssystem jeder beliebigen zuvor erwähnten Art kann ferner umfassen: ein Dichtungsband zwischen der Grundfläche und der radialen Spitze.
Die Grundfläche und der Gegenring jedes beliebigen zuvor erwähnten axial orientierten Dichtungssystems können unter Verwendung von mindestens einer Finne verbunden sein.
Die Grundfläche und der Gegenring jedes beliebigen zuvor erwähnten axial orientierten Dichtungssystems können unter Verwendung von mindestens einer Schweißnaht verbunden sein.
Der Gegenring jedes beliebigen zuvor erwähnten axial orientierten Dichtungssystems kann über eine flexible Kupplung mit der Grundfläche verbunden sein.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung stellt einen Rotor bereit, umfassend: mindestens ein sich drehendes Turbinenbauteil mit einer Mehrzahl von Laufschaufeln und einem radial verlaufenden Gegenring, der an der Mehrzahl von Laufschaufeln angebracht ist; sowie mindestens ein axial orientiertes Dichtungssystem, das eine Gleitringdichtung mit dem mindestens einen sich drehenden Turbinenbauteil bildet, wobei das mindestens eine axial orientierte Dichtungssystem einen Dichtring umfasst, der axial zu dem mindestens einen sich drehenden Turbinenbauteil verläuft und an einer Seitenfläche des Gegenrings abdichtet, wobei der Gegenring einen durchgehenden Kreisbogen von 360 Grad bildet.
Der Gegenring und das mindestens eine sich drehende Turbinenbauteil können einteilig gefertigt sein.
Der Dichtring jedes beliebigen zuvor erwähnten Rotors kann mit einer Mehrzahl von Segmenten ausgebildet sein.
Das mindestens eine sich drehende Turbinenbauteil kann eine Grundfläche zum Aufnehmen des Gegenrings aufweisen.
Jedes Dichtringsegment kann mindestens zwei Umfangsränder aufweisen und die Mehrzahl von Segmenten sind nach jedem jeweiligen Umfangsrand ausgerichtet.
Ein dritter Aspekt der Erfindung stellt eine Turbine bereit, umfassend: mindestens ein sich drehendes Turbinenbauteil mit einer Mehrzahl von Laufschaufeln, die an einem Rotor angebracht sind; ein Ringelement neben der Mehrzahl von Laufschaufeln; mindestens ein feststehendes Turbinenbauteil mit einer radialen Spitze; sowie mindestens ein axial orientiertes Dichtungssystem, das eine Gleitringdichtung mit dem mindestens einen sich drehenden Turbinenbauteil und dem mindestens einen feststehenden Turbinenbauteil bildet, wobei das mindestens eine axial orientierte Dichtungssystem umfasst: einen Dichtring, der an der radialen Spitze des mindestens einen feststehenden Turbinenbauteils montiert ist, axial zum sich drehenden Turbinenbauteil verläuft und an einer Seitenfläche des Ringelements abdichtet, wobei das sich drehende Ringelement ein Kreisbogen von 360 Grad ist.
Die Mehrzahl von Laufschaufeln, das Ringelement und das sich drehende Turbinenbauteil können einteilig sein.
Der Dichtring kann mit einer Mehrzahl von Segmenten ausgebildet sein.
Der Dichtring kann an mindestens einer von der Mehrzahl von Laufschaufeln angebracht sein.
Der Dichtring ist am Rotor angebracht.
Diese und weitere Aspekte, Vorteile und hervorstechende Merkmale der Erfindung sind anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich, die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, in denen gleiche Teile in sämtlichen Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, Ausführungsformen der Erfindung offenbart.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorangehenden und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind anhand der folgenden konkreteren Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen.
1 zeigt eine dreidimensionale aufgeschnittene perspektivische Teilansicht eines Abschnitts einer Turbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt ein Turbinenbauteil gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
3 zeigt ein feststehendes oder sich drehendes Turbinenbauteil, das als ein Körper ausgebildet ist und mit einer inneren Dichtfläche und einer äußeren Dichtfläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
4 zeigt einen Abschnitt eines Satzes von feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteilen, der einen Satz von axial orientierten Dichtungssystemen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist.
5 zeigt eine zweidimensionale graphische Darstellung eines Dichtungssystems, das mit einem feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteil verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt einen Abschnitt einer Turbine einschließlich eines axial orientierten Dichtungssystems, das mit einem Satz von feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteilen verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt eine zweidimensionale graphische Darstellung eines axial orientierten Dichtungssystems, das mit einem feststehenden oder einem sich drehenden Turbinenbauteil verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines axial orientierten Dichtungssystems, das mit einem feststehenden oder einem sich drehenden Turbinenbauteil verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt ein vereinfachtes Blockschaubild, das Abschnitte eines Gas-und-Dampf-Kombikraftwerksystems gemäß Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.
10 zeigt ein vereinfachtes Blockschaubild, das Abschnitte eines Einwellen-Gas-und-Dampf-Kombikraftwerksystems gemäß Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.
Es sei angemerkt, dass die Zeichnungen der Erfindung nicht unbedingt maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sollen lediglich typische Aspekte der Erfindung darstellen und sollten deshalb nicht als den Geltungsbereich der Erfindung einschränkend betrachtet werden. Es versteht sich, dass mit ähnlichen Bezugszeichen versehene Elemente in den FIGUREN im Wesentlichen ähnlich sein können, wie sie bezogen aufeinander beschrieben sind. Des Weiteren können, in Ausführungsformen, die bezogen auf 1 bis 10 dargestellt und beschrieben sind, mit gleichen Bezugszeichen gleiche Elemente dargestellt sein. Auf eine zu ausführliche Erläuterung dieser Elemente ist der Klarheit halber verzichtet worden. Es versteht sich schließlich, dass die Bauteile von 1 bis 10 und ihre zugehörigen Beschreibungen auf jede beliebige hier beschriebene Ausführungsform angewendet werden können.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte der Erfindung stellen Dichtungssysteme bereit, die so geformt sind, dass sie radiale Spitzen von Turbinenbauteilen axial abdichten. Diese axial orientierten Dichtungssysteme verkleinern Dichtspalte zwischen Bauteilen und verbessern Wirkungsgrad und Betrieb von Turbine und/oder Energieerzeugungssystem.
In den Zeichnungen sind Ausführungsformen von Systemen und Vorrichtungen dargestellt, die so ausgelegt sind, dass sie durch Bereitstellen eines axial orientierten Dichtungssystems, das nahe einer radialen Ausdehnung/Spitze eines Turbinenbauteils angeordnet ist, Leckverluste an Spitzen in einer Turbine verringern. Jedes der Bauteile in den Zeichnungen kann auf herkömmliche Weise, z.B. über eine gemeinsame Leitung oder eine andere bekannte Vorrichtung oder ein anderes bekanntes Gerät, angeschlossen sein, wie in 1 bis 10 angegeben ist. Bezogen auf die Zeichnungen zeigt 1 eine perspektivische aufgeschnittene Teildarstellung einer Dampfturbine 10. Die Turbine 10 weist einen Rotor 12 auf, der eine sich drehende Welle 14 und eine Mehrzahl von Laufrädern 18 aufweist, die entlang einer axialen Länge A der sich drehenden Welle 14 beabstandet sind. Eine Mehrzahl von sich drehenden Laufschaufeln 20 sind mechanisch mit jedem Laufrad 18 gekoppelt. Die Laufschaufeln 20 sind insbesondere in Reihen angeordnet, die in Umfangsrichtung um jedes Laufrad 18 herum verlaufen. Eine Mehrzahl von feststehenden Leitschaufeln 22 verläuft in Umfangsrichtung um die Welle 14 und die Leitschaufeln sind axial zwischen benachbarten Reihen von Laufschaufeln 20 platziert. Die feststehenden Leitschaufeln 22 arbeiten mit den Laufschaufeln 20 zusammen und bilden so eine Stufe und legen so einen Abschnitt eines Strömungswegs durch die Turbine 10 fest.
Während des Betriebs strömt ein Fluid wie Dampf 24 in einen Eintritt 26 der Turbine 10 und wird durch die feststehenden Leitschaufeln 22 geleitet. Die Leitschaufeln 22 lenken den Dampf 24 gegen die Laufschaufeln 20. Der Dampf 24 gelangt durch die übrigen Stufen und überträgt dabei eine Kraft auf die Laufschaufeln 20, wodurch bewirkt wird, dass sich die Welle 14 dreht. Mindestens ein Ende der Turbine 10 kann axial weg von der sich drehenden Welle 12 verlaufen und kann an einer Last oder an Maschinen (nicht dargestellt) angebracht sein, beispielsweise einem Generator und/oder einer weiteren Turbine, ohne darauf beschränkt zu sein.
In einer Ausführungsform kann die Turbine 10 fünf Stufen aufweisen. Die fünf Stufen werden als L0, L1, L2, L3 und L4 bezeichnet. Stufe L4 ist die erste Stufe und ist (in einer radialen Richtung r) die kleinste der fünf Stufen. Stufe L3 ist die zweite Stufe und ist die nächste Stufe in einer axialen Richtung. Stufe L2 ist die dritte Stufe und ist in der Mitte der fünf Stufen dargestellt. Stufe L1 ist die vierte und vorletzte Stufe. Stufe L0 ist die letzte Stufe und (in einer radialen Richtung) die größte. Es versteht sich, dass fünf Stufen lediglich als ein Beispiel dargestellt sind und jede Turbine mehr oder weniger als fünf Stufen aufweisen kann. Wie hier beschrieben ist, ist für die Lehre der Erfindung auch keine mehrstufige Turbine erforderlich.
In 2 ist eine vereinfachte aufgeschnittene Ansicht eines Abschnitts einer Turbine 100 dargestellt, die einen Satz von ersten axial orientierten Dichtungssystemen 110 und einen Satz von zweiten axial orientierten Dichtungssystemen 170 aufweist, die an radialen Spitzen eines Satzes von sich drehenden Turbinenbauteilen 130 (z.B. eine Turbinenschaufel, eine Laufschaufel usw.) und eines Satzes von feststehenden Turbinenbauteilen 120 (z.B. eine Leitschaufel usw.) angeordnet sind, gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Die feststehenden Turbinenbauteile 120 können mit einem Leitrad 140 der Turbine 100 verbunden sein und können sich innerhalb eines Arbeitsfluidkanals 107 erstrecken. Die sich drehenden Turbinenbauteile 130 können mit einem Rotor 150 der Turbine 100 verbunden sein und können sich durch den Arbeitsfluidkanal 107 hindurch und zwischen dem Satz von feststehenden Turbinenbauteilen 120 drehen. In einer Ausführungsform kann einen Satz von ersten axial orientierten Dichtungssystemen 110 mit einer Laufschaufelspitze (oder einem Laufschaufeldeckband) 132 der sich drehenden Turbinenbauteile 130 verbunden sein und an dem Leitrad 140 montiert sein. Das erste axial orientierte Dichtungssystem 110 kann einen ersten Dichtring 180 aufweisen, der an dem Leitrad 140 über eine erste Sekundärdichtung 186 in einem Dichtungsgehäuse 142 montiert ist und axial in Richtung eines Gegenrings 135 an der Laufschaufelspitze 132 verläuft und so eine Gleitringdichtung an der Dichtfläche 138 bildet. Der Dichtring 180 kann ein erstes Rotationssicherungselement 184 und einen Anschlagbund 188 aufweisen, der radial in Richtung des Leitrads 140 verlaufen kann, um die Bewegung des Dichtrings 180 einzuschränken.
Der Dichtring 180 und die Sekundärdichtung 186 können mehrteilige Ringe sein, d.h. aus getrennten bogenförmigen Elementen zusammengesetzt sein, die zusammen einen Kreisbogen von 360° bilden. Der Gegenring 135 bildet einen Kreisbogen von 360°, damit eine im Wesentlichen ebene, glatte Dichtfläche 138 bereitgestellt ist, während es sich bei der Laufschaufelspitze (oder dem Deckband) 132 um einen einteiligen Teil des einzelnen sich drehenden Turbinenbauteils 130 handeln kann und deshalb mehrteilig sein kann. In einer Ausführungsform kann das Dichtungsgehäuse 142 einen Kanal 144 definieren, der so geformt ist, dass er die Sekundärdichtung 186 aufnimmt. Das Dichtungsgehäuse 142 kann ein einteiliger Teil des Leitrads 140 oder ein separates Bauteil sein, das an das Leitrad 140 montiert ist.
In einer Ausführungsform kann ein Satz zweiter axial orientierter Dichtungssysteme 170 mit einem Fußringelement 152 von sich drehenden Turbinenbauteilen verbunden sein, wie in 2 dargestellt ist. Das zweite axial orientierte Dichtungssystem 170 kann einen zweiten Dichtring 190 aufweisen, der an einer feststehenden Spitzenabdeckung 122 montiert ist und axial in Richtung der Dichtfläche 138 an dem Fußringelement 152 verläuft. Der Dichtring 190 kann eine zweite Sekundärdichtung 194 und ein zweites Rotationssicherungselement 196 aufweisen, das radial verlaufen kann und so mit der feststehenden Spitzenabdeckung 122 in Eingriff steht. Der Dichtring 190 und die zweite Sekundärdichtung 194 können mehrteilige Ringe sein. Das Ringelement 152 dient als Gegenring zum Dichtring 190. Der Gegenring 152 bildet einen Kreisbogen von 360° zur Bereitstellung einer ebenen, glatten Dichtfläche 138. Der Gegenring 152 kann ein einteiliger Teil des Rotors 150 oder ein separates Bauteil sein, das an dem Rotor 150 montiert ist. In einer Ausführungsform kann ein Dichtungsgehäuse 124 einen Kanal 128 definieren, der so geformt ist, dass er die zweite Sekundärdichtung 194 aufnimmt. In einigen Ausführungsformen können die Gegenringe 135, 152 des ersten beziehungsweise zweiten axial orientierten Dichtungssystems 110, 170 als ein Abschnitt der sich drehenden Turbinenbauteile 130 und/oder des Rotors 150 geformt sein. Das bedeutet, dass der Gegenring 135 und die sich drehenden Turbinenbauteile 130 einteilig sein können (z.B. aus einem einzigen Stück Ausgangsmaterial geformt, als einheitlicher Körper geformt usw.). Der Gegenring 152 und der Rotor 150 können ebenso einteilig sein. In anderen Ausführungsformen können die Gegenringe 135, 152 mit den sich drehenden Turbinenbauteilen 130, 150 verbunden (z.B. verschraubt, verschweißt usw.) sein.
In 3 ist ein feststehendes oder sich drehendes Turbinenbauteil 240, das als ein Körper geformt ist, mit einer inneren Dichtfläche 292 und einer äußeren Dichtfläche 290 gemäß Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. In einer Ausführungsform definiert das feststehende oder sich drehende Turbinenbauteil 240 eine Rotorbohrung 222 und eine Mehrzahl von Profilen 230, die eine Stufe einer Turbine umfassen. Während der Montage kann ein Rotor durch die Rotorbohrung 222 geführt werden, damit das feststehende oder sich drehende Turbinenbauteil 240 bezogen auf andere feststehende oder sich drehende Turbinenbauteile angeordnet und/oder ausgerichtet wird und so der Arbeitsfluid-Strömungskanal 107 (2) definiert wird. Die innere Dichtfläche 292 und die äußere Dichtfläche 290 können als Dichtflächen 138 (2) dienen und Dichtflächen benachbarter feststehender oder sich drehender Turbinenbauteile ergänzen und so einen Satz axial orientierter Dichtungen radial innerhalb und radial außerhalb der Mehrzahl von Profilen 230 und des Arbeitsfluid-Strömungskanals 107 (2) bilden.
In 4 ist ein Abschnitt eines Satzes von feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteilen 330, der einen Satz von axial orientierten Dichtungsbestandteilen 390 aufweist, gemäß Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Wie dargestellt ist, können die axial orientierten Dichtungsbestandteile 390 mehrteilig mit einem Feststellelement 334 sein, damit die axiale Relativbewegung eingeschränkt wird. Die axial orientierten Dichtungsbestandteile 390 können sich an einer radialen Spitze der Turbinenbauteile 330 befinden und können einen Radialbund 392 aufweisen, der von einer Grundfläche (Deckband) 394 aus radial nach außen verläuft. Wenn es sich bei den Turbinenbauteilen 330 um sich drehende Laufschaufeln handelt, dienen die Bünde 392 als sich drehender Gegenring und die Seitenfläche 398 ist die Dichtfläche zum Aufnehmen eines Dichtrings 180 (2). Wenn es sich bei den Turbinenbauteilen 330 um feststehende Leitschaufeln handelt, dient der Bund 392 als Dichtungsgehäuse zum Halten eines Dichtrings 190 (2). In einer Ausführungsform können axial orientierte Dichtungsbestandteile 390 einen Satz von Umfangsrändern 396 aufweisen, die so geformt sind, dass sie benachbarte axial orientierte Dichtungsbestandteile 390 ergänzen und eine im Wesentlichen ununterbrochene axiale Fläche bilden, die entweder von sich drehenden Laufschaufeln radial nach außen oder von feststehenden Leitschaufeln radial nach innen verläuft. Die Umfangsränder 396 können strukturiert sein. In einer Ausführungsform können Umfangsränder so geformt sein, dass sie einen Satz von Feststellelementen 334 bilden.
In 5 ist eine tangentiale Ansicht eines Dichtungssystems 420, das mit einem feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteils 430 verbunden ist, gemäß Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform weist das axial orientierte Dichtungssystem 420 einen Ring 480 mit einem Kreisbogen von 360° auf, der so geformt ist, dass er mit einer Spitze 432 eines Satzes von feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteilen 430 verbunden wird. Der Kreisbogenring 480 kann ein Keilelement 484 aufweisen, das einen Hohlraum 434, der in der Spitze 432 ausgebildet ist, ergänzen kann, wodurch der Kreisbogenring 480 an dem feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteil 430 gesichert wird. In einer Ausführungsform kann der Kreisbogenring 480 einen Radialbund 482 zum Bilden einer Dichtfläche 488 aufweisen, die so geformt ist, dass sie einen Abschnitt einer daran passenden Gleitringdichtung bildet. In einer Ausführungsform kann ein Dichtungsband 486 den Kreisbogenring 480 weiter an der Spitze 432 sichern.
In 6 ist ein Abschnitt einer Turbine 500 einschließlich eines axial orientierten Dichtungssystems 590 dargestellt, das mit einem Satz von feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteilen 530 verbunden ist, gemäß Ausführungsformen der Erfindung. In einer Ausführungsform kann das axial orientierte Dichtungssystem 590 eine Umfangsgrundfläche 592 aufweisen, die im Wesentlichen den Satz von feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteilen 530 radial außerhalb des Arbeitsfluid-Strömungskanals 507 umgibt, der durch den/zwischen dem Satz von feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteilen 530 verläuft. Die Umfangsgrundfläche 592 kann an dem Satz von feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteilen 530 mit einer oder mehreren Finnen 536 gesichert sein und kann einen Radialbund 596 aufweisen, der von der Umfangsgrundfläche 592 aus radial nach außen verläuft und so eine Dichtfläche 588 bildet, die so geformt ist, dass sie einen Abschnitt eines Gegenrings einer Gleitringdichtung bildet.
In 7 und 8 ist eine zweidimensionale graphische Darstellung beziehungsweise perspektivische Ansicht des axial orientierten Dichtungssystems 620, das mit einem feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteil 630 verbunden ist, gemäß Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. In einer Ausführungsform kann eine Umfangsgrundfläche 680 des axial orientierten Dichtungssystems 620 über einen Satz von Schweißnähten 670 mit einer radialen Spitze 632 des feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteils 630 verbunden sein. In einer Ausführungsform kann eine Umfangsgrundfläche 680 einen Radialbund 682 aufweisen, der von der Umfangsgrundfläche 680 aus radial nach außen verläuft und so eine Dichtfläche 688 bildet, die so geformt ist, dass sie einen Abschnitt einer daran passenden Gleitringdichtung bildet. Wie in 8 zu erkennen ist, kann das Dichtungssystem 620 an einer Berührungsfläche von Radialbund 682 und Umfangsgrundfläche 680 an den feststehenden oder sich drehenden Turbinenbauteilen 630 angeschweißt werden. In einer Ausführungsform können die Umfangsgrundfläche 680 und der Radialbund 682 an einzelnen Stellen 670 verschweißt sein, während sich einzelne Abdeckungen gleichzeitig entlang der Berührungsfläche 608 zueinander bewegen können, was zu einem geringeren Verzug des Radialbunds 680 führt.
In 9 ist eine vereinfachte Darstellung von Abschnitten eines Mehrwellen-Gas-und-Dampf-Kombikraftwerks 900 dargestellt. Das Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk 900 kann beispielsweise eine Gasturbine 980 enthalten, die mit einem Generator 970 funktionsmäßig verbunden ist. Der Generator 970 und die Gasturbine 980 können über eine Welle 915, die Energie zwischen einer (nicht dargestellten) Antriebswelle der Gasturbine 980 und dem Generator 970 übertragen kann, mechanisch gekoppelt sein. Ebenfalls in 9 dargestellt ist ein Wärmetauscher 986, der mit der Gasturbine 980 und einer Dampfturbine 992 funktionsmäßig verbunden ist. Der Wärmetauscher 986 kann sowohl mit der Gasturbine 980 als auch einer Dampfturbine 992 über herkömmliche Leitungen (ohne Bezugszeichen) fluidmäßig verbunden sein. Die Gasturbine 980 und/oder Dampfturbine 992 können bzw. kann das Dichtungssystem (110 in 2) oder andere hier beschriebene Ausführungsformen aufweisen. Bei dem Wärmetauscher 986 kann es sich um einen herkömmlichen Abhitzedampferzeuger (AHDE) wie die in herkömmlichen Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken verwendeten handeln. Wie im Fachgebiet der Energieerzeugung bekannt ist, können in dem AHDE 986 heiße Abgase aus der Gasturbine 980 in Verbindung mit einer Wasserversorgung zur Erzeugung von Dampf verwendet werden, der der Dampfturbine 992 zugeführt wird. Die Dampfturbine 992 kann optional (über eine zweite Welle 917) mit einem zweiten Generatorsystem 972 verbunden sein. Es versteht sich, dass die Generatoren 970 und 972 und die Wellen 915 und 917 jede beliebige Größe aufweisen oder von jeder beliebigen im Fachgebiet bekannten Art sein können und sich je nach Anwendung oder je nach dem System, mit dem sie verbunden sind, unterscheiden können. In einer weiteren Ausführungsform, die in 10 dargestellt ist, kann ein Einwellen-Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk 910 einen einzigen Generator 970 aufweisen, der sowohl mit der Gasturbine 980 als auch der Dampfturbine 992 über eine einzige Welle 915 gekoppelt ist. Die Dampfturbine 992 und/oder Gasturbine 980 können bzw. kann ein erstes und/oder zweites axial orientiertes Dichtungssystem (110, 170 in 2) oder andere hier beschriebene Ausführungsformen aufweisen.
Die Geräte und Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf eine bestimmte Turbine, einen bestimmten Generator, ein bestimmtes Energieerzeugungssystem oder anderes System beschränkt und können bei anderen Energieerzeugungssystemen und/oder Systemen (z.B. Gas-und-Dampf-Kombi-, Gasturbinen-, Atomreaktor- usw.) verwendet werden. Die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung können zudem bei anderen, hier nicht beschriebenen Systemen verwendet werden, die von der besseren geringeren Undichtigkeit an Spitzen und dem höheren Wirkungsgrad der hier beschriebenen Systeme, Geräte und Vorrichtungen profitieren können.
Die hier verwendeten Begriffe dienen lediglich der Beschreibung besonderer Ausführungsformen und sollen die Offenbarung nicht einschränken. Die hier verwendeten Singularformen "ein", "eine", "der", "die" und "das" sollen auch die Pluralformen beinhalten, sofern der Kontext nicht eindeutig auf etwas Anderes hinweist. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe "umfasst" und/oder "umfassend", wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein genannter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Abläufe, Elemente und/oder Bestandteile angeben, nicht jedoch das Vorhandensein oder Hinzufügen von ein oder mehreren weiteren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Abläufen, Elementen, Bestandteilen und/oder Gruppen davon ausschließen.
In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, zu offenbaren und auch um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung anzuwenden, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von darin enthaltenen Verfahren. Der patentierbare Geltungsbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, an die der Fachmann denkt. Diese weiteren Beispiele sollen in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die nicht vom genauen Wortlaut der Ansprüche abweichen oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum genauen Wortlaut der Ansprüche umfassen.
Ein erster Aspekt der Erfindung stellt ein axial orientiertes Dichtungssystem für eine radiale Spitze eines Turbinenbauteils bereit, wobei das System umfasst: ein feststehendes Turbinenbauteil; ein sich drehendes Turbinenbauteil sowie einen Dichtring, der an dem feststehenden Turbinenbauteil montiert ist, wobei der Dichtring axial zu dem sich drehenden Turbinenbauteil verläuft und mit dem sich drehenden Turbinenbauteil an einer Seitenfläche in engem Kontakt steht, wobei sich die Seitenfläche des sich drehenden Turbinenbauteils an einem durchgehenden, sich drehenden Gegenring mit einem Kreisbogen von 360 Grad befindet.
Bezugszeichenliste

10, 100, 500: Turbine
12, 150: Rotor
14: sich drehende Welle
18: Laufrad
20: sich drehende Laufschaufeln
22: feststehende Leitschaufeln
24: Dampf
26: Eintritt
L0–L4: Turbinenstufen
107: Fluidkanal
110, 170, 420, 620: Dichtungssystem
120, 130, 240, 330, 430, 530, 630: Turbinenbauteile
122: Spitzenabdeckung
124, 142: Dichtungsgehäuse
128, 144: Kanal
132: Laufschaufelspitze
135, 152: Gegenring
138, 588, 688: Dichtfläche
140: Leitrad
180, 190: Dichtring
184: Rotationselement
186, 194: Sekundärdichtung
188: Anschlagbund
196: Rotationssicherungselement
222: Rotorbohrung
230: Profile
290: äußere Dichtfläche
292: innere Dichtfläche
334: Feststellelement
390: Dichtungsbestandteile
392: Bund
394: Grundfläche (Deckband)
396: Umfangsränder
398: Seitenfläche
432, 632: Spitze
434: Hohlraum
480: Kreisbogenring
482, 596, 682: Radialbund
484: Keilelement
486: Dichtungsband
488, 688: Dichtfläche
507, 607: Fluid-Strömungskanal
536: Finnen
590, 620: orientiertes Dichtungssys
tem
592, 680: Umfangsgrundfläche
608: Berührungsfläche
670: Schweißnaht
900: Mehrwellen-Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk
910: Einwellen-Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk
915, 917: Wellen
970, 972: Generator
980: Gasturbine
986: Wärmetauscher
992: Dampfturbine

Claims

Axial orientiertes Dichtungssystem für eine radiale Spitze eines Turbinenbauteils, wobei das System umfasst: ein feststehendes Turbinenbauteil; ein sich drehendes Turbinenbauteil; und einen Dichtring, der an dem feststehenden Turbinenbauteil montiert ist, wobei der Dichtring axial zu dem sich drehenden Turbinenbauteil verläuft und mit dem sich drehenden Turbinenbauteil an einer Seitenfläche in engem Kontakt steht, wobei sich die Seitenfläche des sich drehenden Turbinenbauteils an einem durchgehenden, sich drehenden Gegenring mit einem Kreisbogen von 360 Grad befindet.
Axial orientiertes Dichtungssystem nach Anspruch 1, wobei der Gegenring und das sich drehende Turbinenbauteil einteilig sind.
Axial orientiertes Dichtungssystem nach Anspruch 1, wobei der Dichtring aus einer Mehrzahl von Segmenten gebildet ist.
Axial orientiertes Dichtungssystem nach Anspruch 3, wobei das sich drehende Turbinenbauteil eine Spitzengrundfläche zum Aufnehmen des durchgehenden, sich drehenden Gegenrings aufweist.
Axial orientiertes Dichtungssystem nach Anspruch 4, wobei jedes von der Mehrzahl von Dichtringsegmenten mindestens zwei Umfangsränder aufweist und die Mehrzahl von Dichtringsegmenten nach jedem jeweiligen Umfangsrand ausgerichtet sind.
Axial orientiertes Dichtungssystem nach Anspruch 5, wobei die Spitzengrundfläche des sich drehenden Turbinenbauteils ein Keilelement zum Einsetzen bei dem durchgehenden, sich drehenden Gegenring aufweist.
Axial orientiertes Dichtungssystem nach Anspruch 5, wobei die Grundfläche und der Gegenring unter Verwendung von mindestens einer Finne verbunden sind.
Axial orientiertes Dichtungssystem nach Anspruch 5, wobei die Grundfläche und der Gegenring unter Verwendung von mindestens einer Schweißnaht verbunden sind.
Rotor, umfassend: mindestens ein sich drehendes Turbinenbauteil mit einer Mehrzahl von Laufschaufeln und einem radial verlaufenden Gegenring, der an der Mehrzahl von Laufschaufeln angebracht ist; sowie mindestens ein axial orientiertes Dichtungssystem, das eine Gleitringdichtung mit dem mindestens einen sich drehenden Turbinenbauteil bildet, wobei das mindestens eine axial orientierte Dichtungssystem einen Dichtring umfasst, der axial zu dem mindestens einen sich drehenden Turbinenbauteil verläuft und an einer Seitenfläche des Gegenrings abdichtet, wobei der Gegenring einen durchgehenden Kreisbogen von 360 Grad bildet.
Turbine, umfassend: mindestens ein sich drehendes Turbinenbauteil mit einer Mehrzahl von Laufschaufeln, die an einem Rotor angebracht sind; ein Ringelement neben der Mehrzahl von Laufschaufeln; mindestens ein feststehendes Turbinenbauteil mit einer radialen Spitze; sowie mindestens ein axial orientiertes Dichtungssystem, das eine Gleitringdichtung mit dem mindestens einen sich drehenden Turbinenbauteil und dem mindestens einen feststehenden Turbinenbauteil bildet, wobei das mindestens eine axial orientierte Dichtungssystem umfasst: einen Dichtring, der an der radialen Spitze des mindestens einen feststehenden Turbinenbauteils montiert ist, axial zum sich drehenden Turbinenbauteil verläuft und an einer Seitenfläche des Ringelements abdichtet, wobei das sich drehende Ringelement ein Kreisbogen von 360 Grad ist.