DE2120171A1

DE2120171A1 - Dichtungselement für Turbomaschinen

Info

Publication number: DE2120171A1
Application number: DE19712120171
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fislisbach Beckershoff (Schweiz). MP
Original assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Current assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Priority date: 1970-12-18
Filing date: 1971-04-24
Publication date: 1972-06-22
Also published as: US3801220A; DE2120171B2; CH525419A; JPS5421883B1; DE2120171C3

Description

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Brown Boveri-Sulzer Turbomaschinen AG, Zürich (Schweiz)

Dichtungselement für Turbomaschinen

Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement für Dehnungsspalte an Turbomaschinen, bestehend aus Dichtstreifen, die in Nuten der gegeneinander abzudichtenden Teile eingelegt sind und die einzelnen Dichtstreifen Ausnehmungen oder Lappen aufweisen, die an einander kreuzenden Stellen mindestens teilh/et&e. ineinander gefügt sind.

Bei ur.gekühlten Maschinen besteht infolge des Druckgefälles von Stufe zu Stufe die Gefahr, dass die heissen Arbeitsgase den Strömungskanal durch die Wärmece'muirigsspalte zwischen den die Kanalwände bildenden Teilen verlassen und diese Teile ausserhalb des Strömungskanales umspülen. Dabei werden z.B. Rotorkörper, Leitschaufelträger oder Gehäuse unnötigerweise aufgeheizt, wodurch sie an Festigkeit und Lebensdauer verlieren oder aus teurem, hochwarmfesten Material hergestellt werden müssen.

Bei gekühlten Maschinen ergibt sich ein beträchtlicher Kühlgas-

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verlust durch die undichten Wärmedehnungsspalte, da das mit höherem Druck zugeführte Kühlgas in den Gaskanal hineinströmt. Zur Kompensation der verlorenen Kühlgasmenge ist bei Gasturbinen die Entnahme eines noch grösseren Kühlgasanteiles aus dem Krei: 1 if nötig, woraus sich bei Gasturbinen sofort eine spürbare Wirki-igsgradeinbusse ergäbe.

üngedichtete Wärmedehnungsspalte haben gewöhnlich innerhalb der gleichen Maschine überall'etwas unterschiedliche Grosse, v.'odu-'ch h sowohl die Aufheizung bei ungekühlten als auch die Kühlwirkung bei gekühlten Maschinen verschieden gross werden kann. Dadurch entstehen zuweilen starke Verkrümmungen an den stehenden oder rotierenden Teilen, die in der Folge zu Havarien an den Maschinen führen.

Zur teilweisen Verminderung der genannten Nachteile sind mehrere Abdichtungsmethoden angewandt worden, wie beispielsweise Versatzungen an den Teilen oder Aufbau der Teile nach Nut und Feder. Es |h . ist auch bekannt* bei Gasturbinen der Axialfoauart zwischen den Kränzen von Lauf- und Leitschaufel« Dishivjigselemente einzusetzen, die aus Dichtstreifen gebildet sind, die den axialen und radialen Durchtritt des Arbeitsmediums verhindern sollen, wozu Dichtstreifen vorgesehen sind, die.aneinandergereiht in Dichtnuten angeordnet sind. Dabei werden zwischen den einseinen Teilen in radialer Richtung stehende Dichtstreifen eingelegt, die sich mit den in Axialrichtung angeordneten Dichtstreifen kreuzen, wobei die Dichtstreifen an den Kreuzungsstellen Zungen und Ausnehmungen aufweisen, so dass die Teile ineinandergreifen.

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Die Nachteile dieser Abdichtungsbauarten sind darin zu sehen, dass wohl eine Verminderung der Leckage erreicht wird, jedoo keine Möglichkeit gegeben ist, die freien Durchtritte völlig zu unterbinden. Insbesondere bei Turbomaschinenanlageh, die Wärmedehnung»spalte - ähnlich einem Gitter über den Läufer und den Leitschaufelträger verteilt aufweisen, verbleiben an den Kreuzungsstellen und den einfachen Stossstellen der Dichtstreifen Restspalte, die nach der Radial-Axial-Abdichtung vorstehend beschriebener Art überhaupt nicht dichtungsmässig erfassbar sind.Dies führt wiederum zu den vorhin genannten allgemeinen Nachteilen.

Hier setzt nun die vorliegende Erfindung ein, die sich d:"'· A gestellt hat, die obigen Nachteile zu vermeiden und ?' idic": leiten zwischen den den Strömungskanal einer Turbomaschine bilder-..on Teilen nahezu vollkommen auszuschliessen.

Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Dichtstreifen aus mindestens zwei Lagen gebildet ist, deren erste gegenüber der zweiten Lage in der Längsrichtung des Dichtstreifens um mindestens den Betrag der Stossfuge zwischen den aneinander anstossenden Dichtstreifen verschobt ist, und die Dichtstreifen in Umfangsrichtung und axra-ler Pachtung aneinandergereiht sind, wobei an den Kreuzungsstellen die in den Ausnehmungen gleitend eingelegten Lappen der ersten Lage durch die dazu versetzte zweite Lage des DichtStreifens überdeckt sind.

Eine andere Ausführungsart ist gekennzeichnet durch eine annähernd

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elastisch verformbare Randzone der einzelnen Lagen der Dichtstreifen an den dem Nutengrund der Nut zugekehrten Seiten.

Eine besondere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass in die Nut am Nutengrund plastisch verformbare Dichteinlagen eingesetzt sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform wird erfindungsgemäss au?-■ zeichnet durch die Länge der Dichtstreifen, die in axialer "Richtung und in Umfangsrichtung annähernd der Länge zweier gegen- ψ einander abzudichtender Teile vermindert um eine Streif en'·" reite entspricht.

Die Vorteile der Erfindung liegen einerseits darin, dass eine separate Sicherung der Dichtstreifen gegen Verschiebung entfällt, da die Dichtstreifen durch die einander kreuzenden Lagen der Dichtstreifen gegenseitig verankert sind und andererseits darin, dass selbst die radialen Spalte oder Durchtritte an den Kreuzungsstellen nahezu vollkommen abgedichtet werden.

Bei der besonderen Ausführungsart mit Lappen und Ausnehmungen an den einzeln Lagen der Dichtstreifen hat es sich als vorteilhaft erv/iesen, dass die Lagen an den Kreuzungsstellen, wo '■>■ grössten radialen Belastungen und Dehungskr;' . fte angreife Verstärkung' der Querschnittfläche

Die .Kühlwirkung wird bei gekühlten Maschinen verbessert, wobei die Wärmestauwirkung an den hierfür vorgesehenen Zwischenstücken oder Segmenten entscheidend günstiger beeinflusst wird, weil die

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Uebertragung der.Wärme nur noch durch Leitung erfolgen kann, nicht mehr aber durch Strahlung, die direkt auf das Gehäuse oder uen Rotor einwirkt.

Ein anderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Dichtstreifen durch die engen Gleitführungen der Lappen und Ausnehmungen während jedes Betriebszustandes miteinander verspreizt sind, wodurch die Verschlexssneigung herabgesetzt wird.

?erner ist es vorteilhaft, die einzelnen Lagen der Dichtstreifen derart zu bemessen, dass die Randzonen der Lagen bei■Erwärmung gegeneinander gepresst werden„ wodurch an den Dichtstreifen ein ununterbrochenes Band einer Sperrzone gebildet wird, welches das Austreten ι eines Mediums, beispielsweise Helium, ausschliesst*·

Ein entscheidender Portschritt wird durch die Erschliessung eines neuen Anwendungsgebietes erreicht, da solche nach der Erfindung abgedichteten Turbomaschinen beispielsweise in einen direkten Kreislauf eines gasgekühlten Atomreaktors eingebaut, werden können. Auch bei der Förderung giftiger oder korrosionsbegünstigender Stoffe wird ein Vorteil erreichbar, da einerseits ein Verlust des Kühlgases od. eine Beimengung desselben in das Arbeitsgas nahezu vermieden wird, und andererseits der Aufwand an korrosionsfestem Material erheblich reduziert wird, da die aus korrosionsbeständigem Material gefertigten Teile auf die mit dem aggressiven Arbeitsgas in direkte Iierührung kommenden Bauteile beschränkt werden.

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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung erläutert, wobei alle nicht zum unmittelbaren Verständnis der Erfindung notwendigen Teile zur Verdeutlichung weggelassen wurden. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Rotor nach dem Stand der

Technik,

Fig. 2 einen Radialschnitt nach der Linie A-A in Pig. I, Fig. 3 eine Draufsicht in Richtung, B nach Fig. 1, Fig. H einen Ausschnitt der Abdichtung nach der erfindungsge- W massen Ausführungsform,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie D-D in Fig. M, Fig. 6 ein Schrägrissbild einer nach der Erfindung abgedichteten

Kreuzungsstelle,
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung im

kalten Zustand,
Fig. 8 das Ausführungsbeispiel nach Fig.7 bei Betriebstemperatur der Turbomaschine.

w In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 der Rotor einer Turbomaschine gekennzeichnet, an dem in den Ringnuten 2 die Schaufel;¹. ~j mittels der Sehaufelfüsse 4 eingesetzt sind. Zwischen den einzelnen Schaufelkränzen 5 und 5' sind in Ringnuten 6 die Zwischenstücke 7 eingesetzt; zwischen den Schaufelfüssen 4 und den Zwischenstücken 7 entsteht somit ein Spalt 8, der bei ungekühlten Maschinen ein Eindringen des Arbeitsmediums in den Zwischenraun 10 ermöglicht. Dadurch wird der Rotor 1 direkt von dem Arbeitsmedium beheizt _s was wegen der in der Einleitung angeführten !■?-:-

teile unerwünscht ist.

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Bei gekühlten Maschinen wird durch den Zwischenraum 10 ein Medium zugeführt, das die Wärme vom Rotor 1 und den Schaufelfüssen ¹I und Zwischenstücken 7 abführt. Werden keine Abdichtungsmöglichkeiten vorgesehen, so muss Kühlgas in grossen Mengen und mit höherem Druck als demjenigen an der dem jeweiligen Spalt entsprechenden Stelle im Strömungskanal 11 zugeführt werden, um den ungehinderten Eintritt von Heiss- oder Arbeitsgas in den Zwischenraum 10 zu unterbinden.

Um diese Gase vom Rotor 1 fernzuhalten, wurde vorgeschlagen, an den Wangen der Zwischenstücke 7 und der Schaufelfüsse *J Nuten anzuordnen und in diese Dichtstreifen 9 einzusetzen. Vorerst scheint es damit möglich zu sein, den Zwischenraum 10 gegenüber dem Strömungskanal Il abzudichten und die Verhältnisse zu verbessern. Doch zeigte sich,dass bei solchen Anordnungen noch immer grosse Leckagespalte auftreten, deren Abdichtung durch die bekannten Elemente nicht erfassbar ist, und zu den eingangs erwähnten Nachteilen führen.

Fig. 2 zeigt einen Radialschnitt durch den Rotor 1 nach der Linie A-A in Fig. 1, wobei für gleiche Teile entsprechende Bezugszeichen verwendet wurden. Es ist hierbei erkennbar, dass zur Abdichtung nach dem bekannten Vorschlag auch Dichtstreifen 9^f vorgesehen wurden, die in Achsrichtung am Umfang zwischen der. Schaufelfüssen 4 und den nicht gezeigten Zwischenstücken eir.-gesetzt sind. Hierzu wurden entsprechende Nuten 12' vorgesehen., die anstatt in Umfagsrichtung wie die Nuten 12 (siehe Fig. 1) nunmehr in Achsrichtung verlaufen.

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Wird der Rotor in der Richtung B betrachtet und dessen Oberfläche abgewickelt, so ergibt sich die Darstellung, wie sie in Figo gezeigt ist. Der Schnitt entlang der Linie C-C in Pig. I zeigt dem Beschauer ein durch die Dichtstreifen 9 und 9' gebildetes Gitterwerk. Daraus ist ersichtlich, dass zwischen den Stossstellen 13 der Dichtstreifen 9 und 9¹ und auch an den Kreuzungsstellen lh noch Durchtritte 15 vorhanden sind.

Fig. U zeigt einen Ausschnitt eines Radialschnittes durch einen Rotor 1 in vergrössertem Massstab, wobei in die Nut 12 entlang des Umfanges ein Dichtstreifen 16 der erfindungsgemässen Ausfü/.-rungsform eingesetzt ist. Die Schaufelfüsse *l sind durch den Spalt 8 getrennt, der in radialer Richtung durch die erste Lage 17 des Dichtstreifens 16 gesperrt ist. Die zweite Lage 18 desselben ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel um annähernd eine Schaufelteilung in Umfangsrichtung verschoben. Die Länge der. einzelnen Dichtstreifen 16 ist.dabei gleich der zweifachen Teilung aes Schaufelkranzes abzüglich der Streifenbreite und der k doppelten Breite des Spaltes 8. Bei Zusammenfassung von Schaufeigruppen zu Segmenten gilt sinngemäßs die Segmentlänge als .Tellur;;. Die Dichtstreifenlänge in axialer Richtung ist gleichartig bestimmt wie die obige, nur wird anstatt der am Schaufelkranz gemessenen Teilung der. Abstand zwischen den Schaufelkränzen 5 -^r '-5' berücksichtigt. Bei Anordnung von Zwischenstücken 7 istes notwendig ,die Bemessung der Länge des Dichtstreifens durch Ersatz der zweifachen Teilung mit der axialen Längensur.n:e resultierend aus Schaufelfuss 4 und Zwischenstück 7 zu berücksichtigen.

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Zwischen den in der Umfangsrichtung versetzten Lagen 17 und

18 des DichtStreifens 16 sind in Achsrichtung die einzelnen Lagen

19 und 20 der Dichtstreifen 16' eingesetzt und zwar derart, dass zwischen den Stössen der einzelnen Lagen der Dichtstreifen 16 eine entsprechende Lage des Dichtstreifens 16' kreuzend eingelegt ist,

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt des Dichtstreifens 16 entlang der Linie D-D Fig. 4, wobei durch die Pfeile Kräfte angedeutet werden, welche beim Betriebszustand auf die Lagen 17 und 18 einwirken. Durch geeignete Ausbildung der Nut 12 bzw. des Nutengrundes 21 im Schaufelfuss 4 bzw. Zwischenstück 7 kann erreicht werden, dass die Lagen 17 und 18 der Dichtungsstreifen an den gegenseitigen Berührungsflächen der Randzonen 22 fest gegeneinandergepresst werden, sobald die Ränder der Dichtungsstreifen in den Bereich des Nutengrundradius gelangen. Die Dichtstreifen 16 und l6' werden in den Randzonen 22, nichts aber an der gemeinsamen Berührunrsflache der Lagen 17 und 18 mit einer leicht gerundeten 45 - Ta:» versehen. Damit wird erreicht, dass durch plastische Deformation verdrängtes Material genügend Raum vorfindet um auszuweichen, und ausserdem die Klemmkräfte gleichmässig verteilt auf die Ranuzone 22 einwirken.

Zum besseren Verständnis des· Erfindungsgegenstandes ist in Fig. 6 eine parallelperspektivische Darstellung eines Kreuzungspunktes 14 wiedergegeben. Die Dichtstreifen 16 und l6^f setzen sich wiederum aus den einzelnen Lagen 17, 18 und 19»20 zusammen, die versetzt gegeneinander angeordnet sind.Um zu einer vollkommenen Abdichtung zu gelangen, ist es notwendig, die wegen der Warme-

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dehnung des Materials beim Anfahren einer Turbomaschine notwendigen Stossfugen 23 gleichfalls abzudichten oder zu vermeiden.

Denn mit dem alleinigen Versatz der einzelnen Lagen 17 bis 20 der Dichtstreifen gelangt man noch nicht zu vollkommener Dichtheit zwischen Strömungskanal 11 und Zwischenraum 10, die in vorliegender Fig. 6 oberhalb'bzw. unterhalb der Krlizungsstelle lH gedacht werden müssen. Der Spalt 8 wird durch die Sehaufelfüsse 4 und Zwischenstücke 7 begrenzt, wobei die dünnen Vollinien 2^l\ und die strichlierten Linien 25 die Konturen des Dehnungsspaltes B angeben.

An den Stirnseiten der einzelnen Lagen 17 bis 20 der Dichtstreifen l6 und 16' sind jeweils Ausnehmungen 26 vorgesehen, wobei die sichtbare Darstellung auf die obere Lage 17 des Dichtstreifens und auf die obere Lage 19 des Dichtstreifens 16' beschränkt ist.

An den Längsseiten der Dichtstreifen 16 und 16' mit den Lagen It „ und 19 sind jeweils den Ausnehmungen 26 entsprechende Lappen angeordnet. Diese Ausnehmungen 26 und Lappen 27 sind an allen Dichtstreifen-Lagen 17 bis 20 in gleicher Weise angeordnet₃ so dass sie zweekmässigerweise einfach gegeneinander ausgetauscht, werden können. Dies kann auch dann erfolgen, wenn die axialer 1,L--gen der Laufschaufeln anders als die der Zwischenstücke 7 sind.

Da wegen der Wärmedehnung während des Anfahrens oder Abstellens der Turbomaschine mit starken Klemmkräften gerechnet werden nuss, sind die Ausnehmungen 26 in den einzelnen Lagen der Dichtstreifen 16 und 16' mit grossen Ausrundungen versehen, deren Radien vor-

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zugsweise der halben Breite der Ausnehmung 26 entsprechen, um eine zusätzliche Kerbwirkung an den einzelnen Lagen 17'bis 20 deν Dichtstreifen l6 und 16' weitgehend zu vermeiden. Die Lappen 27 sind gleichfalls abgerundet, wobei ihre Form derjenigen der Ausnehmungen 26 angepasst ist und die Breite der Lappen derart gewählt wird, dass die Lappen 27 in den Ausnehmungen 26 seitlich gleitend geführt werden. Die Breite der Lappen 27 muss jedoch in jedem Zustand grosser sein als die grösste Breite der Dehnungsspalte 8 zwischen abzudichtenden Teilen. Die Länge der Lappen ist mindestens so gross, wie die Stossfugen 23, sodass eine enge Führung der Lappen 27 in den Ausnehmungen 26 während jedes Betriebszustandes gewährleistet wird.

Die Pfeile zeigen den möglichen Weg des Kühlgases oder Arbeitsmediums an, der durch die zur Abstimmung der Klemmkräfte währena des Betriebes notwendigen Mindestspalte offen bleibt. Dabei ist erkennbar, dass nunmehr jeder radiale und axiale Durchtritt des Mediums in allen Richtungen versperrt ist.

Durch die nahezu vollkommene Abdichtung des Strömungskanals i:A es möglich» das Kühlgas an'geeigneter Stelle gezielt beizurenrcr.., wodurch die Wirkungsgradeinbussen durch Kühlluftentnahme annähernd ausgeglichen werden. Bei genügender Kühlleistung dar^rr^p>" kann durch die Reduzierung der Kühlgasmenge eine Steifcerune des Gesamtwirkungsgrades der Anlagen erreicht werden.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, wie sie beispielsweise bei Gasturbinen-Rotorabdichtuncen angewandt wird.

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Bei Dichtstreifen 16, die aus hochwarmfesten Werkstoffen gefertigt sind, wird vorgeschlagen, in die Nut 12 eine Einlage 30 einzusetzen, welche die Klemmkräfte durch Deformation einfach absorbiert und trotzdem die Abdichtung gewährleistet.

Fig.8 zeigt den gleichen Aufbau wie Fig.7, wobei der Unterschied darin zu sehen ist, dass der Dichtstreifen 16 und der Spalt 8 durch den Temperaturanstieg in den Materialien verändert wurden und die Einlage 30 verformt ist, um die Dichtheit zu verbessern. Dies wird dadurch erreicht, weil das Gas nicht mehr entlang des Längsspaltes im Nutengrund bis zur nächsten Stossfuge 23 zwischen den Dichtstreifen 16 strömt, da die Dichtstreifen 16 an den im Nutengrund geklemmten Randzonen 22 einen dichten Streifen bilden, der eine lückenlose Abdichtung bietet.

Der Erfindungsgegenstand ist auf das in den Zeichnungen Dargestellte selbstverständlich nicht beschränkt. So könnte anstelle der Lappen und Ausnehmungen auch eine Ineinanderfügung der Stirnseiten der einzelnen Lagen der Dichtstreifen in entsprechenden Ausnehmungen an der Längsseite der Dichtstreifen-Lagen Verwendung finden, wobei die einzelnen Lagen zu den Stirnflächen ineinander einsetzbare Versetzungen aufweisen.

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Claims

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Patentansprüche

111 Dichtungselement für Dehnungsspalte an Turbomaschinen, bestehend aus einem Dichtstreifen, der in Nuten der gegeneinander abzudichtenden Teile eingelegt ist und die Dichtstreifen Ausnehmungen oder Lappen aufweisen, die an einander kreuzenden Dichtstreifen mindestens teilweise ineinandergefügt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtstreifen (I6,l6') aus mindestens zwei Lagen (17,18,19,20) gebildet ist, deren erste (17,19) gegenüber der zweiten Lage (18,20) in der Längsrichtung des Dichtstreifens (16,16') um mindestens den Betrag der Stossfuge (23) zwischen den aneinander anstossenden Dichtstreifen (l6,l6')verschoben ist, und die Dichtstreifen (16,16') in Umfangsrichtunf und axialer Richtung aneinandergereiht sind, wobei an den Kreuzungsstellen (14) die in den Ausnehmungen (26) gleitend eingelegten Lappen 27 der ersten Lage (17,19) durch die dazu versetzte zweite Lage (18,20) des Dichtstreifens (l6,l6')überdeckt sind.
2. Dichtungselement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine annähernd elastisch verformbare Randzone der einzelnen Lagen (17 bis 20) der Dichtstreifen (16,16') an den dem Nutengrund (21) eier Nut (12,12') zugekehrten Seiten.
3. Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dasr in die Nut (12,12') am Nutengrund (21) plastisch verformbare Einlagen (30) eingesetzt sind.

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4. Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Dichtstreifen (16,16') in axialer Richtung und in Umfangsrichtung annähernd der Länge zweier gegeneinander abzudichtender Teile (4,7) vermindert um eine Streifenbreite des Dichtstreifens (16 und l6^f) entspricht.
5. Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ■, dass eine Lage (17bis 20) des Dichtstreifens (l6...und 16') mit den Stirnflächen (£§) jeweils gegen;eine Längsseite (29) der kreuzenden entsprechenden Lage (17 bis 20) des Dichtstreifens (16 und 16') anstösst.

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