DE19735932C1

DE19735932C1 - Wellenabdichtung einer Turbomaschine

Info

Publication number: DE19735932C1
Application number: DE1997135932
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Zacharias; Juergen Dipl Ing Schwenger
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1997-08-08
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2017-08-09

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenabdichtung einer Turbomaschine, insbesondere Getriebe- und Einwellenturboverdichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Turbomaschinen, die im höheren Temperaturbereich betrieben werden, werden die Dichtung und deren Aufnahme funktionsbedingt aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt. Die Labyrinthdichtung, die dem heißen Medium ausgesetzt ist, wird daher aus einem hochwarmfesten Werkstoff mit einem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt als das umfassende Gehäuseteil, das vorzugsweise aus austenitischem Stahl mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht. Dies ergibt eine unterschiedliche thermische Ausdehnung. Bei Nichtbeachtung der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung führt dies in der Wellenabdichtung zu größeren Dichtspalten und damit zu größeren Leckagemengen.

Es ist bekannt, dem dadurch Rechnung zu tragen, daß auf der Rückseite der Labyrinthdichtung Sacklochbohrungen angebracht werden, in denen eine Schraubenfeder anordenbar ist. Nachteilig bei dieser Lösung ist die Anordnung von Bohrungen in der Labyrinthdichtung, die zu einer Schwächung der Stabilität der Dichtung führt. Außerdem kann es zur Anregung der Welle durch das Dichtsystem kommen, da die Eigenfrequenz des Dichtungssystems in Bezug auf die Betriebsdrehzahl der Welle ungünstig liegt.

In der DE 38 39 843 A1 ist eine Einrichtung zur Abdichtung von durch Medien unterschiedlichen Druckes beaufschlagten Räumen zwischen koaxialen Wellenabschnitten von Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, offenbart. Diese Einrichtung weist einen am einen Wellenabschnitt als Sekundärdichtung gehäuseartig eingebundenen Dichtring auf, der radial federnd abgestützt ist und gegenüber dem anderen Wellenabschnitt einen Radialspalt als Primärdichtung ausbildet. Der Dichtring sitzt in einer Radialaussparung des einen Wellenabschnittes, in der er an einem rotationssymmetrisch nach einer Seite offenen, im wesentlichen V- oder U-förmigen Federglied radial elastisch abgestützt zentriert ist. In bevorzugter Weise ist das Federglied auf der dem einen Wellenabschnitt und/oder auf der dem Dichtring zugewandten Seite in gleichförmig über den Umfang verteilt beabstandete, biegenbalkenartige Schenkelsektionen zergliedert. Diese Art der Dichtung erreicht eine Dichtwirkung einer radialen Gleitringdichtung und ist in der Wirkung günstiger als eine äquivalente Labyrinthdichtung. Von Nachteil ist, daß das Federglied ohne die aufwendige Anordnung von Axialnuten in einem Wellenabschnitt und im Dichtring nicht lagestabil in der Radialausnehmung anordenbar ist und ein Wegkippen nicht auszuschließen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wellenabdichtung einer Turbomaschine, insbesondere Getriebe- und Einwellenturboverdichter, im Temperaturbereich < 300°C anzugeben, deren Dichtspalt auch im warmen Betriebszustand der Solleinstellung entspricht und die zu keiner Anregung der Welle führt.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Kern der Erfindung ist, das Federelement als einen die Labyrinthdichtung umfassenden Ring auszubilden, von dem sich über den Umfang verteilt im festgelegten Abstand "vergleichbar wie eine Stimmgabel" zwei parallel im Abstand zueinander liegende Zungen erstrecken. Die Zungen liegen dabei vorzugsweise in Richtung des Druckgefälles. Bei dieser bevorzugten Einbaulage des Federelementes wird ein Verdrehen des Dichtungsspitzenträgers erschwert, da dieser in Richtung des Druckgefälles im Gehäuse anliegt. Dabei wird bei der Fertigung der Zunge ein gewisses Aufmaß gegenüber dem Einbauraum vorgehalten. Die Zungen weisen zur Vereinfachung der Vorspannung eine Verdickung auf, wobei diese vorzugsweise am Ende angeordnet ist und radial nach außen sich erstreckt. Die Anzahl der Zungen sowie deren Abmessung hinsichtlich Länge, Breite und Dicke werden so gewählt, daß die Anforderungen hinsichtlich Rückstellkraft und genügend großer Abstand der Eigenfrequenz des Dichtungssystems zur Eigenfrequenz der Welle der Turbomaschine erfüllt werden. Das jeweilige Ende des ringförmigen Federelementes weist bis zur Teilfuge einen Abstand auf. Dieser Abstand ist erforderlich, um die Niederhalter unterbringen zu können. Diese dienen dazu, das Federelement vorzuspannen und den Dichtungsspitzenträger auf Teilfugenhöhe zu justieren. Die außenliegende Deckfläche der Verdickung ist auf Paßmaß geschliffen, so daß diese auf der Innenfläche der Aufnahme bzw. der Außenfläche der Labyrinthdichtung zur Anlage kommt.

Der Vorteil der Anordnung dieses Federelementes ist darin zu sehen, daß der vorab eingestellte Dichtungsspalt auch im warmen Betriebszustand beibehalten wird. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, die Eigenfrequenz des Dichtungssystems weit über der Betriebsdrehzahl der Welle der Turbomaschine anzuheben, so daß es zu keinen Anregungen der Welle durch das Dichtungssystem kommt.

In der Zeichnung wird anhand eines Ausführungsbeispieles die erfindungsgemäße Wellenabdichtung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen halbseitigen Längsschnitt einer erfindungsgemäß ausgebildeten Wellenabdichtung einer Turbomaschine,

Fig. 2 eine halbseitige Ansicht auf das Federelement,

Fig. 3 einen Schnitt A-A in Fig. 2,

Fig. 4 einen Teilbereich einer perspektivischen Darstellung des Federelementes,

Fig. 5 eine halbseitige Ansicht in der Ebene der Teilfuge,

Fig. 6 einen Schnitt B-B in Fig. 5.

In Fig. 1 ist in einem halbseitigen Längsschnitt eine erfindungsgemäß ausgebildete Wellenabdichtung einer Turbomaschine dargestellt. In bekannter Weise wird der Durchtritt der Welle 1 durch das Gehäuse 2 mittels einer oder mehrerer Labyrinthdichtungen 3-5 abgedichtet, wobei verschiedene Labyrinthausführungen möglich sind. Die Funktionsweise einer Labyrinthdichtung ist bekannt, so daß sich eine nähere Erörterung erübrigt. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich im linken Raum 6 die Hochdruckseite und im Raum 7 die Niederdruckseite. Eine im Gehäuse 2 befestigte ringförmige Aufnahme 8 weist Ausnehmungen 9-11 auf, in die jeweils ein erfindungsgemäß ausgebildetes Federelement 12-14 angeordnet ist.

Die Details sind den nachfolgenden Figuren zu entnehmen. Wegen der hohen Betriebstemperatur von < 300°C sind die Labyrinthdichtungen 3-5, sowie die Federelemente 12-14 aus einem Werkstoff auf Nickelbasis gefertigt. Dies ist ein hochwarmfester Werkstoff, der aber einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der austenitische Stahl, aus dem die Aufnahme 8 und das Gehäuse 2 gefertigt sind.

In den Fig. 2-4 sowie 5 und 6 sind die Details der erfindungsgemäß ausgebildeten Federelemente 12-14 dargestellt. Fig. 2 zeigt eine halbseitige Ansicht des Federelementes. Es besteht aus einem Ring 15, von dem sich in bestimmten Umfangsabständen je ein Zungenpaar 16, 17 erstrecken. Der Abstand 18 zwischen zwei benachbarten Zungenpaaren, die Breite 19 der Zungen in Umfangsrichtung, die Dicke 20 der Zunge und die Zungenlänge 21 wird den entsprechenden Anforderungen hinsichtlich Rückstellkraft und genügend großer Abstand der Eigenfrequenz des Dichtungssystems zur Eigenfrequenz der Welle 1 der Turbomaschine angepaßt. Die Federelemente 12-14 erstrecken sich nicht bis zur Teilfuge 22, sondern weisen an beiden Enden einen Abstand 23, 23' auf. Zur Vereinfachung der Vorspannung der Federelemente 12-14 weist jede Zunge eine radial nach außen sich erstreckende Verdickung 24, 25 auf, die in diesem Fall aus fertigungstechnischen Gründen im Endbereich der Zungen angebracht ist.

Fig. 5 zeigt eine Ansicht in der Ebene der Teilfuge 22, wobei die Welle 1 weggelassen wurde. In der Zusammenschau mit dem dazugehörigen Schnitt B-B in Fig. 6 sind die Niederhalter 26-28 mit den dazugehörigen Schrauben 29-31 dargestellt, die dazu dienen, die Federelemente 12-14 vorzuspannen und die Labyrinthdichtungen 3-5 auf Teilfugenhöhe zu justieren.

Claims

1. Wellenabdichtung zu einem feststehenden Gehäuse (2) einer Turbomaschine, insbesondere Getriebe- und Einwellenturboverdichter, mit einer eine Teilfuge aufweisenden ringförmigen Aufnahme (8) und einer darin angeordneten federbelasteten Labyrinthdichtung (3-5), wobei die Labyrinthdichtung und deren ringförmige Aufnahme aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungs koeffizienten gefertigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die federbelastete Labyrinthdichtung (3-5) von einem als Feder ausgebildeten Ring (15) von außen umfaßt wird und der Ring (15) oder seine Ringhälften mit einer Vielzahl von Zungenpaaren versehen ist, bei denen zwei gleichlange Zungen (16, 17) parallel im Abstand zueinander angeordnet sind und sich in Richtung des Druckgefälles erstrecken und daß die Zungenpaare sich über den Umfang im festgelegten Umfangsabstand verteilen.

2. Wellenabdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen (16, 17) eine Verdickung (24, 25), vorzugsweise am Ende aufweisen.

3. Wellenabdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickung (24, 25) radial nach außen sich erstreckt.

4. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Zungen (16, 17) sowie deren Abmessung hinsichtlich Länge (21), Breite (19) und Dicke (20) so gewählt sind, daß die Anforderungen hinsichtlich Rückstellkraft und genügend großer Abstand der Eigenfrequenz des Dichtungssystems zur Eigenfrequenz der Welle (1) der Turbomaschine erfüllt werden.

5. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Ende des ringförmigen Federelementes (12-14) bis zur Teilfuge (22) einen Abstand (23, 23') aufweist.