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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ganz allgemein Dichtungsvorrichtungen in einer Turbine, die dazu
dienen, zwischen deren feststehenden und rotierenden Komponenten
abzudichten, und betrifft insbesondere eine hybride Kombination
einer Bürsten-/Wabendichtung
zum Abdichten zwischen Bereichen hohen und niedrigen Drucks bei
einer Dampfstopfbuchse einer Turbine.
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In einer Turbine werden vielfältige Arten
von Dichtungen zwischen rotierenden und feststehenden Komponenten
oder zwischen feststehenden Komponenten verwendet. Zwischen einer
feststehenden Komponente und einer rotierenden Komponente wurden
bisher beispielsweise Bürstendichtungen eingefügt. wie
allgemein bekannt, weisen Bürstendichtungen
eine Anzahl Borsten auf, die in einem Träger angebracht sind, wobei
Borstenspitzen aus dem Träger
herausragen, und die die rotierende Komponente berühren. Zwar
sind Bürstendichtungen
an sich in diesem Zusammenhang sehr nützlich, sind aber nicht in
der Lage einem hohen Druckgefälle standzuhalten,
wie es beispielsweise zwischen Bereichen hohen und niedrigen Drucks auf
gegenüberliegenden
Seiten einer Dampfstopfbuchse in einer Turbine anzutreffen ist.
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In Turbinen werden zum Abdichten
zwischen feststehenden und rotierenden Komponenten häufig Dichtungen
der Labyrinthbauart verwendet. Da zwischen den Labyrinthschneiden
und der rotierenden Komponente ein gewisser Abstand erforderlich
ist, ist das Leckstromverhalten der Dichtungen der Labyrinthbauart
nicht optimal, und es besteht die Gefahr von Hitzeschäden an dem
Rotor, sollten die Schneiden der Labyrinthdichtung an dem Rotor
reiben. Gelegentlich werden auch Wabendichtungen zur Abdichtung
zwischen feststehenden und rotierenden Komponenten in Turbinen verwendet.
Zwar lösen Wabendichtungen
verglichen mit Dichtungen der Labyrinthbauart gewöhnlich das
Problem von Hitzeschäden
an dem Rotor, erzielen aber im Vergleich zu Labyrinthdichtungen
lediglich eine geringfügige
Verbesserung des Leckstromverhaltens. Darüber hinaus sind axial beabstandete
Bürstendichtungen
dort, wo in der Turbine zwischen Bereichen hohen und niedrigen Drucks
erhebliche Druckdifferenzen vorliegen, nicht in der Lage, das Druckgefälle aufzuteilen
und erfüllen
in der Regel nicht die Anforderungen, die an die Dichtungen zwischen
diesen Bereichen hohen und niedrigen Drucks gestellt sind. Es besteht
daher ein Bedarf nach einer Dichtung, die ein verbessertes Leckstromverhalten
aufweist, und die in der Lage ist, zwischen Hoch- und Niederdruckbereichen
mit erheblichen Druckdifferenzen abzudichten, während gleichzeitig die Gefahr
von Hitzeschäden
für den
Rotor minimiert wird.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist zum Abdichten zwischen einer rotierenden
Komponente und einer feststehenden Komponente eine Hybriddichtung
mit einem Dichtungskörper
geschaffen, der um eine rotierende Komponente herum axial beabstandete
bogenförmige
erste und zweite Bürstendichtungen trägt. Die
Dichtungsvorrichtung umfasst ferner eine zwischen den axial beabstandeten
Bürstendichtungen
angeordnete bogenförmige
Wabendichtung. Die Wabendichtung weist eine Anzahl Kanäle auf,
die sich im Wesentlichen radial erstrecken und zu der rotierenden
Komponente hin öffnen.
Die hybride Dichtungsvorrichtung, die die von einem einzelnen Dichtungskörper getragene
Kombination von Bürsten/Waben
aufweist, vermindert die Gefahr von Hitzeschäden an dem Rotor und verbessert
gleichzeitig das Leckstromverhalten, indem sie den Leckstrom von
Luft und Dampf zwischen Hoch- und Niederdruckbereichen minimiert,
die eine erhebliche Druckdifferenz aufweisen.
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In einer speziellen Anwendung der
Hybriddichtung der Erfindung ist die Dichtung in einer Turbine in
Form einer Dampfstopfbuchse ausgebildet. Die Dampfstopfbuchse sorgt
beispielsweise für
ein Abdichten zwischen einem Einlaufgehäuse, das Dampf mit hohem Druck
an Turbinenlaufschaufeln liefert, um die Schaufeln zu kühlen, und
einem Niederdruck aufweisenden Dampf-Leckstromableitgehäuse. Die Dampfstopfbuchse
umfasst eine äußere Gehäuseschale,
die das Dampfeinlass- und Dampfauslassgehäuse begrenzt, wobei die lass-
und Dampfauslassgehäuse
begrenzt, wobei die Gehäuse
durch eine längliche
schwalbenschwanzförmige
Nut axial voneinander getrennt sind. Die Hybriddichtung enthält einen
im Wesentlichen ringförmigen
Dichtungskörper, der
aus in der Nut angeordneten bogenförmigen Dichtungssegmenten gebildet
wird. Jedes Segment trägt
ein Paar axial beabstandete Bürstendichtungen und
eine zwischen den Bürstendichtungen
angeordnete Wabendichtung. Diese sequentielle Anordnung von Bürstendichtungen
und Wabendichtungen ergibt eine ausgeglichene Aufteilung des Druckgefälles zwischen
dem Dampfeinlassgehäuse
mit hohem Druck und dem Dampfauslassgehäuse mit niedrigem Druck. Mehrere
Segmente sind in der schwalbenschwanzförmigen Nut sowohl der oberen
als auch der unteren Schale vorgesehen, die das Turbinengehäuse und
die Dampfstopfbuchse bilden, wobei ausgerichtete benachbarte Enden
der Segmente mit einer zwischen den Segmenten abdichtenden Passfederdichtung
versehen sind. Die in Segmente aufgeteilten Dichtungen nutzen also
zwischen den Segmenten angeordnete Passfederdichtungen, um einen
stirnseitigen Leckstrom zu minimieren.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist eine Dichtung zum Abdichten zwischen einer rotierenden
Komponente und einer feststehenden Komponente geschaffen, die einen
von der feststehenden Komponente getragenen Dichtungskörper aufweist,
der erste und zweite bogenförmige
Bürstendichtungen
trägt.
Die Bürstendichtungen
umfassen jeweils einen Träger
und eine Anzahl Borsten, die von dem Träger getragen werden. Spitzen
der Borsten ragen aus dem Träger
heraus und liegen an der rotierenden Komponente an. Die Bürstendichtungen
sind axial voneinander beabstandet. Der Dichtungskörper weist
eine bogenförmige
Wabendichtung auf, die sich um den Umfang herum und axial zwischen
der ersten und zweiten Bürstendichtung
erstreckt, wobei zu der Wabendichtung eine Anzahl im Wesentlichen
radialer Kanäle
gehört,
die zu der drehenden Komponente hin öffnen, wodurch die Bürsten- und
Wabendichtungen zwischen axial beabstandeten Bereichen hohen und
niedrigen Drucks an axial gegenüberliegenden
Seiten der Dichtung abdichten.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist eine Dampfstopfbuchse in einer Turbine geschaffen,
zu der gehören:
ein feststehendes Gehäuse
mit einem im wesentlichen ringförmigen
Dampfeinlassgehäuse
und einem im Wesentlichen ringförmigen
Dampfableitgehäuse,
die axial voneinander beabstandet sind, eine innerhalb der feststehenden
Komponente angeordnete rotierende Komponente, eine Dichtung, die
zwischen dem Einlassgehäuse
und dem Ableitgehäuse
zwischen der feststehenden und der rotierenden Komponente und Bereichen
hohen und niedrigen Drucks auf einander gegenüberliegenden Seiten der Dichtung
abdichtet, ein von der feststehenden Komponente getragener Dichtungskörper, der
erste und zweite bogenförmige Bürstendichtungen
trägt,
wobei zu den Bürstendichtungen
jeweils ein Träger
und eine Anzahl von dem Träger
getragener Borsten gehören,
deren Spitzen aus dem Träger
herausragen und an der drehenden Komponente anliegen, die Bürstendichtungen
axial voneinander beabstandet sind, der Dichtungskörper eine
bogenförmige
Wabendichtung umfasst, die sich axial zwischen der ersten umfasst,
die sich axial zwischen der ersten und zweiten Bürstendichtung erstreckt, zu
der Wabendichtung eine Anzahl im Wesentlichen radialer Kanäle gehört, die
zu der drehenden Komponente hin öffnen,
wodurch die Bürsten- und
Wabendichtungen zwischen axial beabstandeten Bereichen hohen und
niedrigen Drucks auf axial einander gegenüberliegenden Seiten der Dichtung abdichten.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine ausschnittsweise Schnittansicht, die eine Dampfstopfbuchse
für den
Einsatz in einer Turbine veranschaulicht;
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2a zeigt
eine vergrößerte ausschnittsweise
Schnittansicht einer Seite eines in der Dampfstopfbuchse angeordneten
Dichtungssegments;
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2b zeigt
in einer ähnlichen
Ansicht wie 2a eine
gegenüberliegende
Seite des Dichtungssegments;
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht, die das untere Turbinengehäuse mit
der in der unteren Gehäusehälfte angeordneten
hybriden Bürsten-/Wabendichtung
veranschaulicht; und
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4 zeigt
eine vergrößerte perspektivische Ansicht
eines Dichtungssegments, das die Hybriddichtung der Erfindung verwendet.
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Es wird auf die Zeichnung insbesondere
auf 1 verwiesen, in
der ein Abschnitt einer allgemein mit 10 bezeichneten Dampfstopfbuchse
veranschaulicht ist, die um ein Lagerrohr 12 angeordnet
ist. Die Dampfstopfbuchse 10 umfasst ein ringförmiges feststehendes
Gehäuse 11 mit
oberen und unteren Außenschalen 14 bzw. 16,
die längs
einer horizontalen mittleren geraden Teilfuge 17 miteinander
verbunden sind. Die Dampfstopfbuchse 10 umfasst ferner
ein Dampfeinlassgehäuse 18 (einen
Bereich hohen Drucks) und ein Ausleitgehäuse 20 (einen Bereich niedrigen
Drucks), die um die Dampfstopfbuchse 10 herum ringförmige Kanäle bilden.
Es ist ersichtlich, dass die Dampfstopfbuchse 10 feststeht
und das Lagerrohr 12 um die Achse der Rotorwelle rotiert.
Eine Dampfkammer, die mit einem aus einer nicht gezeigten geeigneten
Quelle stammenden Dampfvorrat verbunden ist, steht in strömungsmäßiger Verbindung
mit dem Einlassgehäuse 18,
um dem innerhalb des Rohrs 12 angeordneten inneren Kanal 22 der Hohlrohranordnung
Kühldampf
zuzuführen.
Das Ableitgehäuse 20 ist
an eine nicht gezeigte Dampfrückführung angeschlossen,
um einen Dampfleckstrom aufzunehmen, der durch die gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung konstruierten, allgemein mit 30 bezeichneten
Hybriddichtung durchtritt. Dem gemäß strömt Leckagedampf, der eventuell
aus dem Einlassgehäuse 18 durch
die Hybriddichtung 30 entwichen ist, nicht weiter nach
vorn zu dem nicht gezeigten hinteren Hauptlager der Turbine zeigten
hinteren Hauptlager der Turbine. Vielmehr, wird ein Leckagedampf
durch das Ausleitgehäuse 20 zur
Wiederverwendung aufgesammelt. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten
des Umfeldes, in dem die Dampfstopfbuchse 10 verwendet wird,
wird auf die am 9. Mai 2000 vom Anmelder der vorliegenden Erfindung
eingereichte US-Patentanmeldung mit der Seriennr. 09/566 085 verwiesen,
auf deren Beschreibung hier Bezug genommen wird.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst die Dampfstopfbuchse 10 eine im Wesentlichen
schwalbenschwanzförmige innere
Nut 32, die sich ringförmig
um das Rohr 12 erstreckt, um die Hybriddichtung 30 aufzunehmen,
wobei die schwalbenschwanzförmige
Nut 32 axial gegenüberliegende
Flansche 34 aufweist. Bezugnehmend auf 2a und 2b,
ist ein in der ringförmigen Nut 30 der
Dampfstopfbuchse 10 angeordneter Dichtungskörper 35 veranschaulicht.
Der Dichtungskörper 35 weist
einen kreisförmigen
Ring auf, der in Form von in der oberen bzw. unteren Turbinengehäuseschale
anzuordnenden 180°-Segmenten
oder in der oberen und unteren Turbinengehäuseschale in Form von bogenförmigen,
sich in Umfangsrichtung erstreckenden Segmenten 36 ausgebildet
sein kann. Mehrteilige bogenförmige
Dichtungssegmente 36 sind in 3 und 4 veranschaulicht. Jedes
Dichtungssegment 36 weist eine Axialerstreckung, die an sich
bogenförmig
verlaufenden Flanschen 38 (2b),
an axial einander gegenüberliegenden Stirnseiten
endet, sowie Aussparungen 40 auf, die ebenfalls bei den
axial gegenüberliegenden
Stirnseiten liegen. Jedes Segment 36 wird auf die se weise
in der Nut 32 aufgenommen, wobei die Flansche 34 der Nut 32 in
den Aussparungen 40 des Dichtungskörpers 36 aufgenommen
sind, so dass der Dichtungskörper 36 in
der feststehenden Komponente, beispielsweise der Dampfstopfbuchse
gehalten wird.
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Allgemein mit 42 bezeichnete Bürstendichtungen
sind benachbart zu einander gegenüberliegenden, d.h. axial beabstandeten
Enden der ringförmigen
Dichtung und insbesondere neben einander gegenüberliegenden Enden jedes Dichtungssegments
vorgesehen. Die Bürstendichtungen 40 sind aus
jeweils einem Träger 43 aufgebaut,
der ein Paar Rückenplatten
umfasst. Zu der Bürstendichtung 42, die
an dem stromaufwärtigen
hohen Druckbereich des Dampfeinlassgehäuses 18 angeordnet
ist, gehören
beispielsweise Rückenplatten 44 und 46,
die auf einander gegenüberliegenden
Seiten von Bürstenborsten 48 angeordnet
sind. Die Rückenplatte 46 weist
einen axial verlaufenden Flansch 50 auf, der in einer Aussparung
einer komplementär
gestalteten Vertiefung aufgenommen ist, die längs der bogenförmigen Innenfläche des
Dichtungskörpers 36 ausgebildet
ist. Die Rückenplatten 44 und 46 übergreifen die
zwischen den Rückenplatten
angeordneten Borsten 48, wobei die Borsten und Rückenplatten
durch eine Schweißnaht 52 miteinander
verschweißt
sind. Es ist somit ersichtlich, dass sich eine im Wesentlichen L-förmige Bürstendichtung
bogenförmig
und fortlaufend entlang der stromaufwärtigen Seite jedes Dichtungskörpersegments 36 erstreckt.
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Auf der benachbart zu dem Niederdruckbereich
und dem Ableitgehäuse 20 stromabwärtigen Seite
des Dichtungskörpers 36 weist
die Bürstendichtung 42 in ähnlicher
Weise auf gegenüberliegenden
Seiten der Borsten 60 ein Paar Rückenplatten 56 und 58 auf.
In dieser Konfiguration verfügt
jede der Rückenplatten 56 und 58 jedoch über sich
in axialer Richtung entgegengesetzt erstreckende Flansche 57 bzw. 59,
die in Vertiefungen in einer entsprechend geformten Nut aufgenommen
sind, die entlang der Innenfläche
des Dichtungskörpers 36 ausgebildet
ist. Die Borsten und Rückenplatten
sind durch eine Schweißnaht 62 miteinander
verbunden. Es ist klar, dass die Spitzen der jeweiligen Borsten 48, 60 der entsprechenden
Bürstendichtungen 42 bei
dieser Anordnung das Rohr 12 an axial in Längsrichtung
beabstandeten Stellen berühren.
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Zwischen den Bürstendichtungen 44 und 54 ist
auf jedem Dichtungssegment 36 eine Wabendichtung 64 vorgesehen.
Die Wabendichtung 64 erstreckt sich in Umfangsrichtung
in gleicher Weise wie das zugehörige
Dichtungssegment 36 und überspannt in einer axialen
Richtung den größten Teil
der Länge des
Dichtungssegments 36 zwischen den Bürstendichtungen sowie in Umfangsrichtung
zwischen beabstandeten Enden des Segments. Die Wabendichtung kann
aus Metall oder einem Keramikwerkstoff gefertigt sein und kann mit
sich radial nach innen öffnenden
Kanälen
ausgebildet sein, deren Konfiguration und Querschnitt hexagonal
sind. Die Bürstendichtungen 44 und 54 sind
mittels Sprengringen und Drehsicherungsstiften 72 in den
entsprechenden Nuten gehalten (siehe 4).
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Es ist einsichtig, dass es in Fällen, in
denen der Dichtungskörper 35 aus
mehreren, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Dichtungssegmenten 36 aufgebaut
ist, zu Leckpfaden zwischen angrenzenden Randflächen 68 der Dichtungssegmente 36 kommen
kann. Wie 4 zu entnehmen,
sind die Randflächen 68 der
Dichtungssegmente mit einer Passfederdichtung 74 versehen.
Die Passfederdichtung 74 umfasst ein flaches, im Wesentlichen
rechtwinkliges Metall-Blechteil, das innerhalb von längs des
Umfangs fluchtenden Nuten der gegenüberliegenden Randflächen der
benachbarten Dichtungssegmente angeordnet ist.
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Es ist klar, dass die hybride Bürsten-/Wabendichtung
der Erfindung in der Lage ist, einem hohen Druckgefälle zwischen
den Bereichen hohen und niedrigen Drucks des Einlassgehäuses und
des Ableitgehäuses
standzuhalten. Gleichzeitig minimiert die Hybriddichtung 10 durch
die Vermeidung von Dichtungen der Labyrinthbauart die Wahrscheinlichkeit
von durch Hitze verursachten Schäden
an dem Rotor. Das Betriebsverhalten der Dampfstopfbuchse ist also
dadurch optimiert, dass ein Luft- und Dampfleckstrom im Turbinenbetrieb
durch den Einsatz einer Kombination von Bürsten-/Wabendichtung in einem einzigen
Dichtungsgehäuse
vermindert wird.
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Eine Dampfstopfbuchse 10 weist
ein Dampfeinlassgehäuse 18 und
ein Dampfableitgehäuse 20 auf,
die axial voneinander beabstandet sind und Bereiche hohen und niedrigen
Drucks definieren. Zwischen den Bereichen ist ein Dichtungskörper 35 angeordnet,
der ein Paar axial voneinander beabstandete Bürstendichtungen 42 enthält. Zwischen den
Bürstendichtungen
ist eine Wabendichtung 64 angeordnet. Die Hybridekombination
aus Bürsten/Wabendichtung
minimiert einen Leckstrom von Dampf zwischen den Bereichen hohen
und niedrigen Drucks und eliminiert das Auftreten von Hitzeschäden an dem
Rotor bei gleichzeitiger Optimierung des Leckstromverhaltens der
Dichtung.
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Die Erfindung wurde zwar anhand eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben, von dem gegenwärtig
angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, es
ist allerdings selbstverständlich,
dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt sein
soll, sondern vielmehr vielfältige
Abwandlungen und äquivalente
Anordnungen abdecken soll, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
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- 10
- Dampfstopfbuchse
- 12
- Rohr
- 11
- Ringförmiges feststehendes
Gehäuse
- 14,
16
- Obere
und untere äußere Gehäuseschale
- 17
- Mittlere
horizontale Trennfuge
- 18
- Dampfeinlassgehäuse
- 20
- Ableitgehäuse
- 22
- Innerer
Kanal
- 30
- Hybriddichtung
- 32
- Innennut
- 34
- Einander
axial gegenüberliegende
Flansche
- 35
- Dichtungskörper
- 36
- Dichtungssegment
- 38
- Bogenförmig verlaufende
Flansche
- 40
- Ausnehmungen
- 42
- Bürstendichtungen
- 43
- Träger
- 44,
46
- Rückenplatten
- 48,
60
- Borsten
- 50
- Axial
gerichteter Flansch
- 52
- Schweißnaht
- 56,
58
- Rückenplatten
- 57,
59
- Einander
entgegengesetzt gerichtete Flansche
- 64
- Wabendichtung
- 68
- Endflächen
- 72
- Drehsicherungsstift
- 74
- Passfederdichtung