DE10361499A1

DE10361499A1 - Dichtungseinrichtung für eine umlaufende Maschine

Info

Publication number: DE10361499A1
Application number: DE10361499A
Authority: DE
Inventors: Farshad Ghasripoor; Norman Arnold Turnquist; Bernard Arthur Courture; Ronald Wayne Korzun
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-12-31
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2004-07-15
Also published as: JP2004211896A; US6969231B2; US20040126225A1; CN1515811A

Abstract

Eine Dichtungseinrichtung (120) zum Einsatz in eine umlaufende Maschine (110) ist zwischen einer umlaufenden Komponente (15) und einer feststehenden Komponente (20) der umlaufenden Maschine angeordnet. Die Dichtungseinrichtung weist wenigstens einen an der umlaufenden Komponente oder der feststehenden Komponente befestigten Dichtungsstreifen (30) auf. Die Dichtungseinrichtung beinhaltet außerdem einen abreibbaren Bereich (55), der auf der jeweils anderen Komponente vorgesehen und dem Dichtungsstreifen radial gegenüberliegend angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Dichtungseinrichtungen für umlaufende Maschinen und insbesondere eine Dichtungseinrichtung für eine Dampf- oder Gasturbine.
Umlaufende Maschinen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Dampfturbinen, Kompressoren und Gasturbinen. Eine Dampfturbine enthält einen Dampfströmungsweg, der typischerweise, in Strömungsrichtung hintereinander liegend, einen Dampfeinlass, eine Turbine und einen Dampfauslass aufweist. Eine Gasturbine weist einen Gasströmungsweg auf, der typischerweise, in Strömungsrichtung hintereinander liegend, ein Lufteinlassrohr (oder -einlass), einen Kompressor, eine Brennkammer, eine Turbine und einen Gasauslass (oder eine Auslassdüse) aufweist. Eine Gas- oder Dampfleckage aus einem Bereich höheren Drucks, in einen Bereich niedrigeren Drucks entweder aus dem Gas- oder Dampfströmungsweg heraus oder in den Gas- oder Dampfströmungsweg hinein ist in der Regel unerwünscht. Beispielsweise eine Gasströmungswegleckage in der Turbine oder in dem Kompressorbereich einer Gasturbine zwischen dem Rotor der Turbine oder des Kompressors und dem diesen umgebenden Turbinen- oder Kompressorgehäuse vermindert den Wirkungsgrad der Gasturbine, was zu erhöhten Brennstoffkosten führt. Eine Dampfströmungswegleckage in dem Turbinenbereich einer Dampfturbine zwischen dem Rotor der Turbine und dem diesen rings umgebenden Gehäuse verringert ebenfalls den Wirkungsgrad der Dampfturbine, was zu erhöhten Brennstoffkosten führt.
Um Gas- und Dampfströmungswegleckagen bei Gas- und Dampfturbinen zu vermindern, werden Labyrinthdichtungseinrichtungen verwendet. Bei Gasturbinen wird häufig eine Dichtungseinrichtung eingesetzt, die eingelassene Dichtungsstreifen aufweist, welche zwischen der umlaufenden und der feststehenden Komponente der Turbine angeordnet sind. Eine solche Dichtungseinrichtung erfordert aber eine Abwägung zwischen dem Turbinenwirkungsgrad und der Unversehrtheit der Dichtungseinheit. So hängt z.B. die Wirksamkeit der Dichtungseinrichtung im Wesentlichen davon ab, dass ein zweckentsprechendes Spiel zwischen den Dichtungsstreifen und der diesen radial gegenüber liegenden umlaufenden Komponente aufrecht erhalten wird. Wird das jeweils zweckentsprechende Spiel überschritten, so sinkt der Wirkungsgrad der Turbine. Unter bestimmten Umständen, bspw. während transienter Zustände und unter Anfahrbedingungen, kann die umlaufende Komponente aus ihrer normalen Stellung auswandern, mit der Folge, dass die umlaufende und die feststehende Komponente störend aufeinander einwirken. Das hat zur Folge, dass die Dichtungsstreifen an der umlaufenden Komponente reiben, wodurch die Dichtungsstreifen möglicherweise beschädigt werden. Um deshalb die Unversehrtheit der Dichtungseinrichtung zu bewahren, kann ein Spiel der Dichtungseinrichtung erforderlich sein, das größer als erwünscht ist, wodurch wiederum der Wirkungsgrad der Turbine vermindert wird. Die gegenwärtig angewandte Technik zur Kompensation größerer Spielweiten zwischen der umlaufenden und der feststehenden Komponente beinhalten die Ausgestaltung der miteinander zusammenwirkenden Oberflächen mit einstückig angefrästen Leisten oder Zähnen. Diese Technik ist aber in der Ausführung teuer und kann den Austausch der umlaufenden Komponente in dem Fall notwendig machen, dass die spanabhebend bearbeitete Verzahnung bei nicht vorhersehbaren transienten Vorgängen beschädigt wird.
Demgemäß geht der Wunsch dahin, eine preisgünstige Dichtungseinrichtung zu entwickeln, die enge Toleranzen erlaubt, ohne dass sie die Wirksamkeit der Dichtungsstreifen zufolge einer bei vorübergehenden Anlauf- oder Reibvorgängen auftretenden Beschädigung beeinträchtigt.
Kurze Beschreibung
Kurz gesagt, wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Dichtungseinrichtung zur Anordnung in eine umlaufenden Maschine geschaffen. Die Dichtungseinrichtung ist zwischen einer umlaufenden Komponente und einer feststehenden Komponente der umlaufenden Maschine angeordnet. Die Dichtungseinrichtung weist wenigstens einen an der umlaufenden und/oder der feststehenden Komponente angebrachten Dichtungsstreifen auf. An der jeweils anderen Komponente der umlaufenden und feststehenden Komponente ist ein abreib- oder abnutzbarer Bereich vorhanden, der dem Dichtungsstreifen gegenüberliegend angeordnet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Das Verständnis dieser und anderer Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung zusammen mit der beigefügten Zeichnung erleichtert, in der gleiche Bezugszeichen in allen Figuren gleiche Teile bezeichnen und in der:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer bei spielhaften umlaufenden Maschine ist, die eine umlaufende Komponente, eine feststehende Komponente und einen Dichtungsstreifen aufweist;
2 eine vergrößerte Detailansicht eines Bereichs X der 1 ist, unter Veranschaulichung einer beispielhaften Ausführungsform einer Dichtungseinrichtung, die mehrere Dichtungsstreifen und einen abreib- oder abnutzbaren Bereich aufweist;
3 eine andere beispielhafte Ausführungsform einer Dichtungseinrichtung veranschaulicht, die einen in einem Laufschaufeldeckband angeordneten Dichtungsstreifen und einen an eine feststehenden Komponente angeordneten abreib- oder abnutzbaren Bereich aufweist; und
4 eine beispielhafte Ausführungsform einer federbelasteten Dichtungseinrichtung veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
Wie in 1 dargestellt, weist eine typische umlaufende Maschine 10, wie eine Dampfturbine (die auch mit den Bezugszeichen 10 bezeichnet ist) typischerweise wenigstens eine umlaufende Komponente 15, wie einen Rotor 35 oder rotierende Laufschaufeln 65 und eine feststehende Komponente 20, etwa eine feststehende Dampfdüsenanordnung (auch mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet) auf, die die umlaufende Komponente 15 umgibt. Die umlaufende Komponente 15 und die feststehenden Komponenten 20 sind rings um eine gemeinsame Achse 92 angeordnet. Bei der Dampfturbine 10 wird durch die feststehenden Düsen 20 durchströmender Dampf mit hoher Geschwindigkeit auf die umlaufende Komponente 15 geleitet, wodurch diese mit hoher Drehzahl in Umdrehung versetzt wird. Eine Dichtungseinrichtung 120 wird zunächst unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Wie dargestellt, ist die Dichtungseinrichtung 120 zwischen der umlaufenden Komponente 15 und der feststehenden Komponente 20 angeordnet. Weiterhin auf 1 bezugnehmend weist die Dichtungseinrichtung 120 wenigstens einen Dichtungsstreifen 30 auf, der entweder an der umlaufenden Komponente 15 oder der feststehenden Komponente 20 befestigt ist. Ein abreibbarer Bereich 55 ist an der jeweils anderen Komponente von der umlaufenden und der feststehenden Komponente 15 bzw. 20 angeordnet.
Die 1, 2 veranschaulichen Ausführungsformen der Dichtungseinrichtung 120, bei der zumindest ein Dichtungsstreifen 30 an der umlaufenden Komponente 15 befestigt ist, während der abreib- oder abnutzbare Bereich 55 auf der feststehenden Komponente 20 angeordnet ist. Bei der in 2 dargestellten speziellen Ausführungsform weist die umlaufende Komponente einen Rotor 35 auf, während die feststehende Komponente Düsen oder Laufschaufeln 20 aufweist, die mit einem Düsen- oder Laufschaufeldeckband 42 versehen sind. Bei der in 2 veranschaulichten speziellen Ausführungsform sind eine Reihe von Dichtstreifen 30 an dem Rotor 35 durch geeignete Befestigungsmittel 35, typischweise z.B. mittels eines verstemmten Dichtungsdrahtes 45 befestigt. An der Außenfläche 50 des Düsendeckbands 42 ist ein abreibbarer Bereich 55 angeordnet, der dem Dichtungsstreifen 30 radial gegenüber liegt. Bei der in 3 veranschaulichten speziellen Ausführungsform zeigt die umlaufende Komponente eine Laufschaufel 65 mit einem Laufschaufelende, während die feststehende Komponente ein Gehäuse 40 aufweist. So wie hier verwendet, ist das Laufschaufelende 60 der Kopf 20 des auf der Laufschaufel 65 angeordneten Deckbands 62, wie es bspw. in 3 veranschaulicht ist. Wie dargestellt, ist der jeweilige Dichtungsstreifen 30 an dem Laufschaufelende 60 befestigt. Die Dichtungsstreifen 30 haben typischerweise eine Dicke, die zweckmäßigerweise in dem Bereich zwischen etwa 0,005 inches bis etwa 0,100 inches und vorzugsweise zwischen 0,010 inches bis 0,030 inches liegt. Die Dicke der Dichtungsstreifen 30 in dem zweckmäßigen Bereich zu halten, trägt zu der Unversehrtheit des jeweiligen Dichtungsstreifens 30 bei, wenn die Dichtstreifen 30 an dem abreibbaren Bereich 55 anlaufen und dabei eine örtliche plastische Deformation der abreibbaren Partikel hervorrufen. Demgemäß werden durch das Einschließen von Verschleißteilchen zwischen dem Dichtungsstreifen 30 und dem abreibbaren Bereich 55 abreibbare Teilchen von der abreibbaren Beschichtung abgelöst, so dass sich eine neue abreibbare Schicht ausbildet, wodurch ein Einschneiden in den abreibbaren Bereich 55 auf ein Minimum reduziert wird.
Bezugnehmend auf die 2 bis 4 ragt der abreibbare Bereich 55 typischerweise von der Fläche 50, 75, 90 auf der er angeordnet ist, über eine Länge „s" vor. Ein Radialspiel „t" im kalten Zustand zwischen dem Dichtungsstreifen und der dem Dichtungsstreifen 30 radial gegenüberliegenden Fläche 50, 75, 90 kann abhängig von Faktoren, wie der maximal erwarteten radialen Auswanderung der Turbinenlaufschaufel 65 oder des Turbinenrotors 35 in den abreibbaren Bereich 55 bestimmt werden. Demgemäß hängt das Radialspiel „t" im kalten Zustand von der vorbestimmten elastischen Verformung der umlaufenden Maschine 10 und der radialen Auswanderung der Turbinenlaufschaufel 65 oder des Turbinenrotors 35 bei transienten oder Dauerbetriebsbedingungen der umlaufenden Maschine 10 ab. Der abreibbare Bereich 55 schützt den jeweiligen Dichtungsstreifen 30 typischerweise gegen möglichen Verschleiß, wenn der Dichtungsstreifen 30 bei typischen Betriebsbedingungen, bspw. während des Anlassens und während transienter Umstände der umlaufenden Maschine 10, an der Fläche 50, 75, 90 angreift. Der abreibbare Bereich 55 weist nämlich eine verschleißbare Schutzbeschichtung auf, in die der Dichtungsstreifen 30 ohne Beschädigung des Dichtungsstreifen 30 einschneidet, wenn der Dichtungsstreifen 30 an der Fläche 50, 75, 90, auf der der abreibbare Bereich 55 angeordnet ist, reibt. Demgemäß kann das Spiel „t" im kalten Zustand zwischen dem Dichtungsstreifen 30 und der den Dichtungsstreifen 30 radial gegenüberliegenden Fläche 50, 75, 90 auf einem „eng tolerierten" Wert gehalten werden. Dadurch, dass der „eng tolerierte" Wert eingehalten wird, wird die Leckage durch einen zwischen dem Dichtungsstreifen 30 und der Fläche 50, 75, 90 vorhandenen Strömungsraum wegen des erhöhten Strömungswiderstandes für das durchströmende Fluid verringert. Durch die Verringerung der Leckage durch den Strömungsraum werden der gesamte Wirkungsgrad und das Betriebsverhalten der umlaufenden Maschine 10 verbessert.
Fluchtungsfehler zwischen der umlaufenden Komponente 15, wie etwa der Laufradbeschaufelung 65 oder dem Rotor 35 und der feststehenden Komponente, wie etwa dem Gehäuse 40 oder den Düsen oder dem Leitapparat 20 haben zur Folge, dass die Dichtungsstreifen 30 auf den abreibbaren Bereich 55 zum Eingriff kommen. Wenn ein Dichtstreifen 30 über die Oberfläche des abreibbaren Bereiches 55 schleift werden durch die kombinierte Wirkung der Rotations- oder Umlaufbewegungskräfte und der das Eindringen hervorrufenden Kräfte Teilchen in der abreibbaren Beschichtung freigesetzt, wodurch ein Einschneiden in den abreibbaren Bereich 55 hervorgerufen wird. Demgemäß sollen die abreibbaren Materialien zweckmäßigerweise unter all den möglichen Schnittbedingungen stabil bleiben, ohne Bruch, Delaminierung oder Hervorrufen von Schäden beim Reiben an der umlaufenden Komponente. Insbesondere soll die auf der Fläche 50, 75, 90 angeordnete abreibbare Beschichtung zweckmäßigerweise eine so große Porosität aufweisen, dass dadurch eine Beschädigung der Dichtungsstreifen 30 verhütet wird. So soll die abreibbare Beschichtung bspw. eine Porosität in einem Bereich von etwa 15 bis 60 Volumenprozent und insbesondere in einem Bereich von etwa 25 bis 50 Volumenprozent aufweisen. Darüberhinaus soll die auf den Flächen 50, 75, 90 angeordnete abreibbare Beschichtung eine Dicke zwischen etwa 0,001 inches bis etwa 0,15 inches und insbesondere von etwa 0,010 inches bis etwa 0,060 inches und im besonderen zwischen 0,015 inches bis 0,055 inches aufweisen.
Ein abreibbares Material soll deshalb zweckmäßigerweise unterschiedliche Verschleißmechanismen und sich ändernde Reibbedingungen zulassen, zu denen ohne darauf beschränkt zu sein z.B. gehören: Dichtungsstreifenmaterial, Betriebstemperatur der Dichtungseinrichtung, Geschwindigkeit von radialen Endteilen (Spitzen) der umlaufenden Komponente und Eindringmaß. Demzufolge weisen exemplarische Dichtungsstreifen 30 Materialien auf wie austenitischer Edelstahl, ferritischer Edelstahl, Superlegierung (superalloy) auf Nickelbasis, Superlegierung (superalloy) auf Kobaltbasis, polymeres Material und deren Kombinationen. Bei einer in 2 dargestellten Ausführungsform weist der Dichtungsstreifen 30 eine abrasive Beschichtung 80 auf, um seine Verschleißfestigkeit weiter zu verbessern. Zu exemplarischen abrasiven Beschichtungen 80 gehören Aluminium, Chromcarbid, und Stellit.
Zu exemplarischen abreibbaren Materialien zur Ausbildung des abreibbaren Bereiches 55 gehören durch thermisches Spritzen aufgebrachtes Beschichtungsmaterial, Sintermetallfasermaterial wie Feltmetal^TM (vertrieben durch Technetics Corp., Deland, FL) und ein eine Wabenstruktur aufweisendes Material. Zu beispielhaften Materialien mit Wabenstruktur gehören metallische oder keramische Materialien, die mit einer Wabenstruktur ausgebildet sind. Beispielhafte durch thermisches Spritzen aufgetragenen Beschichtungsmaterialien weisen eine erste Komponente, bspw. Kobalt, Nickel, Chrom Aluminium Yttrium (im Nachfolgenden als CoNiCrAlY bezeich net) und eine zweite Komponente, bspw. hexagonales Bornitrid, eine warmhärtendes Polymeres oder eine Kombination dieser Materialien auf. Materialien wie hexagonales Bornitrid tragen dazu bei die Struktur aufzulockern, wodurch die Abreibbarkeit der abreibbaren Beschichtung verbessert wird. Für den Fachmann versteht sich, dass auch andere feste Schmiermittel verwendet werden können. Die jeweils gewünschte Porosität der abreibbaren Beschichtung wird typischerweise durch eine entsprechende Steuerung des thermischen Sprühbeschichtungsvorgangs selbst oder durch Zugabe des warmhärtenden Polymeren erreicht. Zu exemplarischen warmhärtenden Polymeren gehören Polyester und Polyamide.
Die Dichtungseinrichtung 120 kann darüberhinaus zusätzliche Dichtungsmechanismen enthalten, um die Abdichtung zu verbessern. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform weist die Dichtungseinrichtung 120 außerdem einen federbelastetes Dichtungsträger mit wenigstens einer Feder 110 auf, die so angeordnet ist, dass sie das Dichtungsträgersegment 100 in unmittelbarer Nähe zu der umlaufenden Komponente 35 hält. Der abreibbare Bereich 55 ist auf der oberen Fläche 90 des Dichtungsträgersegments 100 angeordnet. Zu exemplarischen Federn 110 gehören Blatt- und Schraubenfedern. Die Federn 110 üben, in die umlaufende Maschine 10 eingebaut, eine Radialkraft aus, die typischerweise in einem Bereich von etwa dem 2- bis etwa dem 5-fachen des Gewichtes des sich abstützenden Trägersegmentes 100 beträgt. Im Betrieb brauchen die Federn 110 lediglich so viel Kraft aufzubringen, dass das Dichtungsträgersegment 100 radial an der feststehenden Komponente 40 „satt anliegt" und das Dichtungsträgersegment 100 in unmittelbarer Nähe des Turbinenrotors 35 gehalten ist.
Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass, wenngleich die Erfindung hier ordnungsgemäß veranschaulicht und be schrieben wurde, so doch Abwandlungen und Veränderungen an den mitgeteilten Ausführungsformen vorgenommen werden können ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Demgemäß decken die beigefügten Patentansprüche alle derartigen Abwandlungen und Änderungen, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen.

10: umlaufende Maschine
15: umlaufende Komponente
20: feststehende Komponente (Düse)
30: Dichtungsstreifen
35: Rotor
40: feststehende Komponente (Gehäuse)
42: Düsendeckband
45: Dichtungsstreifenbefestigung
50: Außenseite oder -fläche des Düsendeckbands
55: abreibbarer Bereich
60: Kopf des Laufschaufeldeckbands
62: Laufschaufeldeckband
65: Laufschaufel
75: obere Gehäusefläche
80: abrasive Beschichtung auf dem Dichtungsstreifen
90: obere Fläche des Dichtungsträgersegments
92: gemeinsame Achse von umlaufender und feststehender
: Komponente
100: Dichtungsträgersegment
110: Feder
120: Dichtungseinrichtung

Claims

Dichtungseinrichtung (120), die in einer umlaufenden Maschine (10) zwischen einer umlaufenden Komponente (15) und einer feststehenden Komponente (20) der umlaufenden Maschine (10) angeordnet ist, wobei die Dichtungseinrichtung aufweist: – wenigstens einen Dichtungsstreifen (30), der entweder an der umlaufenden oder der feststehenden Komponente befestigt ist; und – einen abreibbaren Bereich (55), der auf der jeweils anderen von der umlaufenden und der feststehenden Komponente vorgesehen und wenigstens einem Dichtungsstreifen radial gegenüberliegend angeordnet ist.
Dichtungseinrichtung (120) nach Anspruch 1, bei der der wenigstens eine Dichtungsstreifen (30) an der umlaufenden Komponente (15) befestigt ist und bei der der abreibbare Bereich (55) auf der feststehenden Komponente (20) angeordnet ist.
Dichtungseinrichtung (12) nach Anspruch 2, bei der die umlaufende Komponente (15) einen Rotor (35) aufweist und der wenigstens eine Dichtungsstreifen (30) an dem Rotor befestigt ist.
Dichtungseinrichtung (120) nach Anspruch 2, bei der die umlaufende Komponente (15) eine Laufschaufel (65) mit einem Laufschaufelende (60) aufweist, wobei der wenigstens eine Dichtungsstreifen (30) an dem Laufschaufelende befestigt ist.
Dichtungseinrichtung (120) nach Anspruch 2, bei der der wenigstens eine Dichtungsstreifen (30) eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,005 inches bis etwa 0,1 inches aufweist.
Dichtungseinrichtung (120) nach Anspruch 5, bei der der wenigstens eine Dichtungsstreifen (30) eine Dicke in einem Bereich zwischen etwa 0,01 inches bis etwa 0,03 inches aufweist.
Dichtungseinrichtung (120) nach Anspruch 2, bei der die feststehende Komponente (20) ein Gehäuse (40) aufweist, wobei der abreibbare Bereich (50) auf dem Gehäuse angeordnet ist.
Dichtungseinrichtung (120) nach Anspruch 2, bei der die feststehende Komponente (20) eine Düse oder Laufschaufel (20) mit einem Deckband (42) aufweist, wobei der abreibbare Bereich (55) auf dem Deckband (42) angeordnet ist.
Umlaufende Maschine (10) mit mehreren Stufen, die aufweist: – eine umlaufende Komponente (15); – eine feststehende Komponente (20), die die umlaufende Komponente umschließt, wobei die umlaufende Komponente und die feststehende Komponente sich rings um eine gemeinsame Achse erstrecken; und – eine Dichtungseinrichtung (120), die zwischen der umlaufenden Komponente und der feststehenden Komponente angeordnet ist wobei die Dichtungseinrichtung wenigstens einen entweder an der umlaufenden oder der feststehenden Komponente befestigten Dichtungsstreifen 830) aufweist und auf der jeweils anderen Komponente von der umlaufenden und der feststehenden Komponente ein abreibbarer Bereich (55) vorgesehen ist, wobei der abreibbare Bereich dem wenigstens einen Dichtungsstreifen radial gegenüberliegend angeordnet ist.
Umlaufende Maschine (10) nach Anspruch 9, bei der der Dichtungsstreifen (30) an der umlaufenden Komponente (15) angeordnet und der abreibbare Bereich (55) auf der feststehenden Komponente (20) vorgesehen ist, wobei der abreibbare Bereich dem Dichtungsstreifen radial gegenüberliegend angeordnet ist.