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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Dichtungsanordnung zur Dichtspaltreduzierung innerhalb einer
axial durchströmten
Strömungsrotationsmaschine,
insbesondere einer Turbomaschine, mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
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Um den Wirkungsgrad von Strömungsrotationsmaschinen,
z. B. Verdichtereinheiten oder Gasturbinenstufen einer Turbomaschine,
zu verbessern, werden Verlustmechanismen soweit wie möglich reduziert.
Verluste können
insbesondere an Dichtspalten entstehen, die zwischen rotierenden
und stationären
Anlagenkomponenten auftreten. Dementsprechend ist es Ziel, diese
Dichtspalte so klein wie möglich
einzustellen, um Leckageströme
zu reduzieren, die durch die Dichtspalte hindurchtreten und daher nicht
zur Energieumwandlung beitragen.
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Aus der
EP 1 229 213 A1 ist eine
Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art bekannt, bei der Leitschaufeln
in einer Leitschaufelreihe in Umfangsrichtung eines Rotors der Turbomaschine
angeordnet sind. Die Leitschaufeln weisen an ihren radial innenliegenden
freien Enden jeweils ein Deckband auf bzw. sind ihre radial freien
Enden jeweils durch ein solches Deckband gebildet. Die Deckbänder tragen
radial innen, also an einer dem Rotor zugewandten Seite jeweils
eine Honeycombstruktur. Die Honeycombstrukturen sind dabei an den
Deckbändern so
angebracht, dass die Zellen der Honeycombstrukturen jeweils radial
offen sind.
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Um die Leitschaufeln montieren zu
können, muss
zwischen Leitschaufeln, die in Umfangsrichtung aneinandergrenzen
ein entsprechendes Montagespiel vorhanden sein. Dieses Montagespiel
hat zur Folge, dass jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden
Honeycombstrukturen ein Dichtspalt ausgebildet ist, der sich radial
und axial erstreckt. In entsprechender Weise erstreckt sich ein solcher
Dichtspalt auch jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden
Deckbändern und
Honeycombstrukturen Bei der bekannten Dichtungsanordnung ist zwischen
zwei in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Deckbändern jeweils ein
Dichtelement angeordnet, das sich in Umfangsrichtung und in axialer
Richtung erstreckt und dadurch radial dichtet. Der Dichtspalt zwischen
den Honeycombstrukturen sowie der Dichtspalt zwischen den Deckbändern bleibt
jedoch in axialer Richtung mehr oder weniger frei durchströmbar, was
zu einem Druckverlust in der jeweiligen Turbinenstufe bzw. Verdichterstufe
führt.
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Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art eine verbesserte
Ausführungsform
anzugeben, bei der insbesondere Leckageströmungen in axialer Richtung
durch den Dichtspalt reduziert sind.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken,
die Honeycombstrukturen so zu dimensionieren, dass sie in Umfangsrichtung über das
jeweilige radial freie Ende der zugehörigen Schaufel überstehen,
und zwar soweit, dass in Umfangsrichtung gegenüberliegende Stirnseiten benachbarter
Honeycombstrukturen ineinandergreifen, wenn die Strömungsrotationsmaschine
in einem Warmbetriebszustand, also im Normalbetrieb arbeitet. Durch
diese Bauweise greifen die umfangsseitigen Stirnseiten der Honeycombstrukturen
im jeweiligen Dichtspalt ineinander und bilden dort durch ihre Struktur
eine hochwirksame Labyrinthdichtung, die eine axiale Durchströmung des
Dichtspalts stark behindert. Axiale Leckageströmungen durch diesen Dichtspalt
werden dadurch deutlich reduziert.
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Gemäß einer Weiterbildung können die
Honeycombstrukturen an ihren umfangsseitigen Stirnseiten in Umfangsrichtung
abstehende und in Umfangsrichtung frei endende Stege aufweisen,
die zumindest im Normalbetrieb der Strömungsrotationsmaschine ineinandergreifen.
Mit Hilfe dieser Stege wird die Dichtwirkung der Labyrinthdichtung
gesteigert, da an den Stegen intensivere Strömungsumlenkungen erforderlich
sind, was zu entsprechenden Druckabfällen führt.
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Eine besonders intensive Dichtwirkung
kann bei einer anderen Ausführungsform
dadurch erreicht werden, dass sich die Honeycombstrukturen im Normalbetrieb
der Strömungsrotationsmaschine
an ihren umfangsseitigen Stirnseiten berühren. Die Dichtwirkung im Dichtspalt
wird dadurch nochmals verbessert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die
Honeycombstrukturen in Umfangsrichtung an beiden Seiten das jeweilige
freie Schaufelende radial übergreifen,
wobei in Umfangsrichtung aneinandergrenzende Honeycombstrukturen
zumindest im Normalbetrieb der Strömungsrotationsmaschine an ihren
Stirnseiten auch zwischen den freien Enden benachbarter Schaufeln
ineinandergreifen. Bei dieser Ausführungsform kann auch der weiter oben
genannte Dichtspalt, der sich radial und axial zwischen den freien
Enden benachbarter Schaufeln erstreckt, mit Hilfe der dort ineinander
eingreifenden Honeycombstrukturen abgedichtet werden.
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Weitere wichtige Merkmale der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung
ergeben sich aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
stark vereinfachte Prinzipdarstellung im Axialschnitt durch eine
Strömungsrotationsmaschine
im Bereich eines Dichtspalts,
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2 eine
Ansicht wie in 1, jedoch
bei einer anderen Ausführungsform,
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3 einen
Ausschnitt einer Darstellung wie in 1,
jedoch bei einer weiteren Ausführungsform,
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4 eine
vergrößerte Ansicht
von unten entsprechend einem Pfeil IV in 1 auf zwei benachbarte Honeycombstrukturen,
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5 und 6 Ansichten wie in 4, jedoch bei anderen Ausführungsformen
und/oder bei anderen Betriebszuständen.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Entsprechend 1 besitzt eine Strömungsrotationsmaschine, insbesondere
eine Turbomaschine, zumindest eine Schaufelreihe 1, z.
B. in einer Verdichterstufe oder in einer Turbinenstufe. In dieser Schaufelreihe 1 sind
mehrere Schaufeln 2 in einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten
Umfangsrichtung 3 eines Rotors der Strömungsrotationsmaschine nebeneinander
angeordnet. Dabei kann es sich bei der Schaufelreihe 1 um eine Leitschaufelreihe 1 handeln,
die statorfeste Leitschaufeln 2 aufweist. Ebenso kann es
sich dabei um eine Laufschaufelreihe 1 handeln, die rotorfeste
Laufschaufeln 2 besitzt. Obwohl die Schaufeln 2 hier
parallel zueinander dargestellt sind und die Umfangsrichtung 3 durch
einen geradlinigen Pfeil symbolisiert ist, ist klar, dass die Schaufeln 2 bezüglich einer
senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufenden Rotationsachse des Rotors
radial ausgerichtet sind, während
die Umfangsrichtung 3 bezüglich der Rotationsachse gekrümmt ist.
Die Radialrichtung ist in 1 durch
einen Doppelpfeil 4 symbolisiert, während die Axialrichtung senkrecht
auf der Zeichnungsebene steht.
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Die Schaufeln 2 besitzen
jeweils ein radial freies Ende 5 sowie ein davon entferntes,
hier nicht dargestelltes Ende, mit dem die Schaufeln 2 entweder
im Stator oder Rotor verankert sind. In der hier gezeigten Ausführungsform
sind die freien Enden 5 der Schaufeln 2 jeweils
als Deckband 6 ausgestaltet bzw. weisen die Schaufeln 2 an
ihren freien Enden 5 jeweils ein solches Denkband 6 auf.
Die Schaufeln 2 sind außerdem mit einer Honeycombstruktur 7 ausgestattet,
die jeweils am freien Ende 5 bzw. am Deckband 6 der
jeweiligen Schaufel 2 angebracht sind, insbesondere mittels
einer Löt-
oder Schweißverbindung.
Die Honeycombstrukturen 7 sind dabei so ausgerichtet, dass
ihre Zellen 8 sich in radialer Richtung erstrecken und
in der Radialrichtung 4 offen sind.
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Die Honeycombstrukturen 7 besitzen
in Umfangsrichtung 3 auf jeder Seite eine Stirnseite 9 bzw. 10.
Die Stirnseiten 9, 10 benachbarter Honeycombstrukturen 7 sind
in Umfangsrichtung 3 in einem Dichtspalt 11 einander
gegenüberliegend
angeordnet. Dieser Dichtspalt 11 erstreckt sich bezüglich der Umfangsrichtung 3 zwischen
den Honeycombstrukturen 7 in Radialrichtung 4 sowie
in Axialrichtung. In entsprechender Weise ist auch zwischen Stirnseiten 12 bzw. 13 der
freien Enden 5 bzw. der Deckbänder 6 benachbarter
Schaufeln 2, die sich ebenfalls in Umfangsrichtung 3 gegenüberliegen,
ein weiterer Spalt 14 ausgebildet. Auch dieser Spalt 14 erstreckt
sich bezüglich
der Umfangsrichtung 3 zwischen den Stirnseiten 12, 13 in
Radialrichtung 4 sowie in Axialrichtung. Der Dichtspalt 11 und
der Spalt 14 werden im Stillstand, also im Kaltzustand
der Strömungsrotationsmaschine
benötigt,
um die Schaufeln 2 am Stator bzw. am Rotor montieren zu
können.
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Im Betrieb der Strömungsrotationsmaschine können durch
den Dichtspalt 11 und den Spalt 14 radiale Leckageströmungen sowie
axiale Leckageströmungen
entstehen, welche die Funktionssicherheit und/oder den Wirkungsgrad
der Strömungsrotationsmaschine
beeinträchtigen.
Um die radialen Leckageströmungen
zu reduzieren, ist im Spalt 14 ein radial wirkendes Dichtelement 15 angeordnet,
das in die Stirnseiten 12, 13 der freien Enden 5 bzw.
der Deckbänder 6 eingesetzt
ist, wozu diese beispielsweise mit entsprechenden Nuten 16 ausgestattet
sind. Das Dichtelement 15 dichtet den Spalt 14 somit
in radialer Richtung ab, während
in es axialer Richtung keine Dichtwirkung entfaltet.
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Erfindungsgemäß sind nun die Honeycombstrukturen 7 so
dimensioniert, dass sie zumindest an einer der Stirnseiten 9, 10,
hier an beiden, in der Umfangsrichtung 3 über die
jeweils zugeordneten freien Enden 5 bzw. Deckbänder 6 der
zugehörigen
Schaufel 2 überstehen,
und zwar so, dass die benachbarten Honeycombstrukturen 7 an
ihren, einander zugewandten Stirnseiten 9, 10 ineinandergreifen,
zumindest dann, wenn sich die Strömungsrotationsmaschine in einem
Warmzustand oder Normalbetrieb befindet. Durch die ineinandergreifenden
Stirnseiten 9, 10 der Honeycombstrukturen 7 bildet
sich in Axialrichtung eine effektive Labyrinthdichtung aus, die
den Dichtspalt 11 in axialer Richtung wirksam dichtet.
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Bei der in den 1 und 2 rechts
dargestellten Schaufel 2 steht die rechte Stirnseite 10 der
Honeycombstruktur 7 beispielsweise mit einem Übermaß 17 über die
rechte Stirnseite 13 des freien Endes 5 bzw. des
Deckbands 6 vor. Entsprechendes gilt bei der links dargestellten
Schaufel 2 für
ein Übermaß 18.
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Dass die Stirnseiten 9, 10 der
Honeycombstrukturen 7 im Bereich des Dichtspalts 11 ineinander eingreifen,
geht beispielsweise daraus hervor, dass eine Summe der Übermaße 17, 18 um
die Eindringtiefe größer ist
als ein in Umfangsrichtung 3 gemessener Abstand zwischen
den Stirnseiten 12, 13 der freien Enden 5 bzw.
der Deckbänder 6.
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Bei den Ausführungsformen der 2 und 3 sind die Honeycombstrukturen 7 so
modifiziert, dass sie die umfangsseitigen Stirnseiten 12, 13 der
freien Enden 5 bzw. der Deckbänder 6 in radialer
Richtung 4 übergreifen.
Auf diese Weise werden die umfangsseitigen Stirnseiten 9, 10 der
Honeycombstrukturen 7 in der Radialrichtung 4 verlängert. Dies
führt dazu, dass
die umfangsseitigen Stirnseiten 9, 10 der Honeycombstrukturen 7 auch
zwischen den Stirnseiten 12, 13 der freien Enden 5 bzw.
der Deckbänder 6 in Umfangsrichtung 3 ineinander
eingreifen. Mit anderen Worten, die umfangsseitigen Stirnseiten 9, 10 der Honeycombstrukturen 7 bilden
auch im Bereich des Spalt 14 eine axial dichtende Labyrinthdichtung
aus.
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Bei der Ausführungsform gemäß 3 erstrecken sich die Honeycombstrukturen 7 in
der radialen Richtung 4 nur bis zum Dichtelement 15 in
den Spalt 14 hinein. Im Unterschied dazu erstrecken sich die
Honeycombstrukturen 7 bei der Ausführungsform gemäß 2 in radialer Richtung über die
gesamte radiale Erstreckung der umfangsseitigen Stirnseiten 12, 13 der
freien Enden 5 bzw. Deckbänder 6. Das hat zur
Folge, dass die Honeycombstruktur 7 in der Radialrichtung 4 beiderseits
des Dichtelements 15 angeordnet ist. Dies kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, dass die Nuten 16 zur Unterbringung des
Dichtelements 15 erst nach dem Anbringen der Honeycombstruktur 7 hergestellt.
Ebenso ist es möglich,
die Honeycombstrukturen 7 mehrteilig aufzubauen, so dass
die beiderseits der Nuten 16 angeordneten Abschnitte der Honeycombstruktur 7 unterschiedlichen
Teilen der Honeycombstruktur 7 zugeordnet sind.
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Obwohl bei den hier gezeigten Ausführungsformen
im Spalt 14 zwischen den Stirnseiten 12, 13 der
freien Enden 5 bzw. der Deckbänder 6 stets das radialwirkende
Dichtelement 15 angeordnet ist, sind durchaus auch Ausführungsformen
möglich,
bei denen kein solches radial wirkendes Dichtelement 15 vorhanden
ist.
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In den Darstellungen der 4 bis 6 steht nunmehr die radiale Richtung
senkrecht auf der Zeichnungsebene, während die Axialrichtung in
der Zeichnungsebene liegt und durch einen Doppelpfeil 19 symbolisiert
ist.
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4 stellt
exemplarisch eine mögliche
Relativlage zwischen benachbarten Honeycombstrukturen 7 im
Bereich ihrer Stirnseiten 9, 10 dar, wie sie bei der
Montage der Schaufeln 2, also im Kaltzustand der Strömungsrotationsmaschine
auftreten kann. Die einander im Dichtspalt 11 gegenüberliegenden
Stirnseiten 9, 10 sind dabei in Umfangsrichtung 3 so
noch weit voneinander beabstandet, dass sie nicht ineinander eingreifen.
Der Dichtspalt 11 ist dementsprechend groß in Umfangsrichtung 3.
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Erst im Betrieb der Strömungsrotationsmaschine
nähern
sich die Stirnseiten 9, 10 in Umfangsrichtung 3 soweit
aneinander an, dass sie zur Ausbildung der Labyrinthdichtung ineinander
eingreifen und den Dichtspalt 11 mehr oder weniger schließen. Die
Relativbewegung in Umfangsrichtung 3 ist dabei auf Wärmedehnungseffekte
zurückzuführen.
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Im Unterschied dazu können die
Honeycombstrukturen 7 auch so dimensioniert sein, dass sie
bereits im Kaltzustand der Strömungsrotationsmaschine,
also während
der Montage an ihren Stirnseiten 9, 10 in Umfangsrichtung 3 ineinander
eingreifen.
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Bei der Ausführungsform gemäß 5 nähern sich vorstehende Konturen
der einander gegenüberliegenden
Stirnseiten 9, 10 relativ nahe aneinander an,
ohne sich jedoch zu berühren.
Im Unterschied dazu erfolgt die Relativverstellung in Umfangsrichtung 3 bei
der Variante gemäß 6 so stark, dass sich vorstehende
Konturen der Stirnseite 9, 10 gegenseitig berühren. Hierbei
kann es durchaus zu elastischen und/oder plastischen Deformationen
der Honeycombstrukturen 7 kommen, wodurch die axiale Dichtwirkung
im Bereich des Dichtspalts 11 zusätzlich verstärkt wird.
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Wie in den 4 bis 6 gezeigt,
sind die Honeycombstrukturen 7 an ihren Stirnseiten 9, 10 zweckmäßig so ausgestaltet,
dass sie in Umfangsrichtung 3 vorstehende Strukturen in
Form von Stegen 20 besitzen, die sich radial und in Umfangsrichtung
erstrecken. Die Positionierung der Honeycombstrukturen 7 erfolgt
zweckmäßig so,
dass ihre Stirnseiten 9, 10 nicht mit ihren Stegen 20 aneinander
stoßen,
sondern dass die Stege 20 der einen Stirnseite 9 zwischen
den Stegen 20 der anderen Stirnseite 10 eintauchen.
Der Labyrintheffekt wird dadurch verstärkt.
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Obwohl bei den hier gezeigten Ausführungsformen
die Honeycombstrukturen 7 an beiden umfangsmäßigen Stirnseiten 9, 10 in
Umfangsrichtung über
die umfangsmäßigen Stirnseiten 12, 13 der
freien Enden 5 bzw. Deckbänder 6 der Schaufeln 2 überstehen,
ist grundsätzlich
auch eine Ausführungsform möglich, bei
welcher die Honeycombstrukturen 7 nur an einer der umfangsmäßigen Stirnseiten 9 oder 10 über die
jeweilige Stirnseite 12 oder 13 des freien Endes 5 bzw.
des Deckbands 6 in Umfangsrichtung 3 überstehen.
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- 1
- Schaufelreihe
- 2
- Schaufel
- 3
- Umfangsrichtung
- 4
- Radialrichtung
- 5
- radial
freies Ende von 2
- 6
- Deckband
von 2
- 7
- Honeycombstruktur
- 8
- Zelle
- 9
- Stirnseite
von 7
- 10
- Stirnseite
von 7
- 11
- Dichtspalt
- 12
- Stirnseite
von 5, 6
- 13
- Stirnseite
von 5, 6
- 14
- Spalt
- 15
- Dichtelement
- 16
- Nut
- 17
- Überstand
- 18
- Überstand
- 19
- Axialrichtung
- 20
- Steg