DE3523469A1 - Contact-free controlled-gap seal for turbo-machines - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine berührungsfreie Dichtung zwischen der mit Deckplatten versehenen Beschaufelung und den strö mungsbegrenzenden Wandungen einer axial durchströmten Turbomaschine, wobei mindestens ein in den strömungs begrenzenden Wandungen befestigter Dichtstreifen mit den Deckplatten einen Ringspalt einschließt und den Ringraum zwischen Deckplatten und Wandung in eine stromaufwärts und eine stromabwärts des Dichtstreifens liegende Kammer unterteilt.The invention relates to a non-contact seal between the blading provided with cover plates and the flow mung-limiting walls of an axially flow Turbo machine, with at least one in the flow bounding walls of attached sealing strips with the Cover plates encloses an annular gap and the annulus between cover plates and wall in an upstream and a chamber located downstream of the sealing strip divided.
Unter strömungsbegrenzender Wandung werden hier nicht jene Flächen verstanden, die die eigentliche Kanalkontur bilden, d. h. die Deckbandinnenseiten der Leit- und Lauf schaufeln. Vielmehr werden unter diesem Begriff gehäuse seitig die Eindrehungen bezeichnet, in die die Deckplatten der Laufschaufeln eingreifen, während rotorseitig die Wände jener Kammern gemeint sind, die von zwei benachbarten Laufschaufelfüßen und der dazwischen liegenden Rotor fläche gebildet sind und in welche die Deckplatten der Leitschaufeln eingreifen. Under flow-limiting walls are not here understood those areas that the actual channel contour form, d. H. the inside of the cover tape of the guide and barrel shovel. Rather, the term housing on both sides designates the recesses into which the cover plates of the blades engage, while the rotor side Walls of those chambers are meant by two neighboring ones Blade feet and the rotor in between area are formed and in which the cover plates of the Intervene guide vanes.
Bei Deckband- oder Deckplattenbeschaufelungen der genannten Art, wie sie beispielsweise aus der deutschen Offenlegungs schrift 26 41 093 bekannt sind, bildet sich entlang der dem Schaufelkanal zugewandten Seite des Deckbandes eine Strömungsgrenzschicht aus. Das in dieser Grenzschicht strömende Medium wird von dem im Schaufelkanal von der Druckseite zur Saugseite gerichteten Druckgefälle in Rich tung zur Saugseite in Bewegung gesetzt, womit im Schau felkanal eine Sekundärströmung eingeleitet wird, die zu den bekannten Randverlusten führt. Durch die Druckunter schiede im Schaufelkanal wird auch ein Teil des Mediums über die Außenseite des Deckbandes durch die Spalte zwi schen den Dichtkämmen der Labyrinthdichtung und der Außen fläche des Deckbandes abgesaugt. Dieser zweite Leckstrom bewirkt die bekannten Spaltverluste. Beide Verluste wirken sich nachteilig auf den inneren Wirkungsgrad der Turbo maschine aus.With shroud or cover plate blading of the above Kind of like, for example, from German disclosure Scripture 26 41 093 are known, forms along the one side of the shroud facing the blade channel Flow boundary layer. That in this boundary layer flowing medium is from that in the blade channel of the Pressure side to suction side directed pressure drop in Rich movement towards the suction side, with what in the eye a secondary flow is introduced into the canal the known edge losses. Through the print sub The blade channel also becomes part of the medium over the outside of the cover tape through the gap between between the labyrinth seal and the outside suction area of the cover tape. This second leakage current causes the known gap losses. Both losses work adversely affect the internal efficiency of the turbo machine off.
Betrachtet man die Laufschaufeln, so berechnet sich der Verlust im Spalt aus dem Spaltmassenstrom, der von der Spaltströmung an das Laufrad abgegebenen bzw. aufgenommenen Leistung der kinetischen Energien am Eintritt und Austritt des Spaltstromes und der dazwischen verrichteten Gasarbeit. Der Verlust in der Randzone des Laufschaufelkopfes ist geprägt durch die Dicke und Form der vorgegebenen Rand strömung, jener am darauffolgenden Leitschaufelfuß wird zusätzlich von der Unterströmung aus dem Labyrinth der Laufschaufeldichtung besonders ungünstig beeinflußt.If you look at the blades, it calculates the Loss in the gap from the gap mass flow caused by the Gap flow delivered or received to the impeller Power of the kinetic energies at the entrance and exit of the gap current and the gas work performed in between. The loss is in the edge zone of the blade head shaped by the thickness and shape of the given edge flow that becomes at the following guide blade root additionally from the undercurrent from the labyrinth of the Blade seal particularly adversely affected.
Als geeignetes Mittel zur Reduzierung dieser Verluste wurde bisher in Regel die Verkleinerung des Spaltmassen stromes gesehen, was beispielsweise durch eine bessere Dichtwirkung des Labyrinthes erzielt werden kann. Allerdings sind der Minimierung der Spiele und/oder der Erhöhung der Anzahl Dichtstellen betriebliche respektiv konstruk tive Grenzen gesetzt.As a suitable means of reducing these losses So far, the reduction of the gap masses was usually stromes seen, for example, by a better Sealing effect of the labyrinth can be achieved. Indeed are minimizing games and / or increasing the number of sealing points operational or construct tive limits.
Ausgehend von diesen Erkenntnissen liegt deshalb der Erfin dung die Aufgabe zugrunde, eine Spaltgeometrie zu schaffen, mit der ohne Beeinträchtigung der Verfügbarkeit sowohl die Verluste in der Rand- als auch Spaltzone reduziert werden und somit der Stufenwirkungsgrad erhöht wird. Based on these findings, the inventor lies based on the task of creating a gap geometry, with the without affecting availability both the losses in the marginal as well as the gap zone are reduced become and thus the step efficiency is increased.
Erfindungsgemäß wird das bei einer Dichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die Deckplatten in der stromabwärts liegenden Kammer mit einem Spaltgitter versehen sind, welches von der Leckströmung aus dem Ring spalt beaufschlagt ist und welches die Leckströmung in eine mindest annähernd gleiche Richtung umlenkt wie die mit den jeweiligen Deckplatten versehenen Beschaufelungsteile.According to the invention, this is the case with a seal mentioned type achieved in that the cover plates in the downstream chamber with a slit grid are provided, which of the leakage flow from the ring gap is applied and which the leakage flow in redirects at least approximately the same direction as that blading parts provided with the respective cover plates.
Zwar ist es bereits aus der deutschen Auslegeschrift 24 62 465 bekannt, in Dichtkammern von Labyrinthdichtungen Bauteile wie Umlenkbleche oder Profile anzuordnen. Hierbei handelt es sich jedoch jeweils um Einrichtungen zum dynamischen Stabilisieren des Rotors von hochtourigen Verdichtern, mit denen lediglich die Umfangskomponente der Spaltströmung beeinflußt wird. Zudem sind diese Bauteile im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung vor dem Spaltbereich oder innerhalb des Spaltbereiches der berührungsfreien Dicht streifen angeordnet. It is already from the German Ausleschrift 24 62 465 known, in sealing chambers of labyrinth seals components how to arrange baffles or profiles. This is about however, they are dynamic facilities Stabilizing the rotor of high-speed compressors, with which only the peripheral component of the gap flow being affected. In addition, these components are in contrast to the present invention before the gap area or within the gap area of the non-contact seal stripes arranged.
Gegenüber bekannten Lösungen, die wie in der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift 26 41 093 mit mehreren Dichtstreifen arbeiten, wird mit der vorlie genden Erfindung durch Anwendung nur eines Dichtstreifens mit anschließendem Leistungsentzug der energiereichen Spaltströmung folgende Wirkung erzielt: Compared to known solutions as in the beginning German published application 26 41 093 work with several sealing strips, is available with the ing invention by using only a sealing strip with subsequent deprivation of the energy-rich Gap flow achieves the following effect:
Bezüglich der Verluste im Spalt:Regarding the losses in the gap:
- - Der Spaltmassenstrom ist etwas erhöht.- The gap mass flow is slightly increased.
- - Die durch Abbremsung der tangentialen Spaltstromgeschwin digkeit auf das Deckband übertragene Leistung wird gerin ger.- The by braking the tangential gap current performance transferred to the shroud is reduced ger.
- - Die kinetische Energie der Spaltabströmung ist niedriger.- The kinetic energy of the gap discharge is lower.
- - Hingegen ist die vom Spaltgitter auf das Laufrad über tragene Leistung so groß,- On the other hand, it is over from the split grille to the impeller carried performance so great
- - daß die Dissipationsleistung im Laufschaufelspalt, die alle vorstehenden Faktoren berücksichtigt, und damit der Spaltverlust insgesamt niedriger sind.- that the dissipation performance in the blade gap, which takes into account all of the above factors, and thus the overall gap loss is lower.
Bezüglich Verluste in der Randzone:Regarding marginal losses:
- - Wie bei den bekannten Lösungen ist die Randströmung am Laufschaufelkopf gleichermaßen tangiert durch die Absaugung des Spaltmassenstromes in das Labyrinth. Ver luste und Dicke der Randströmungen sind hier unverändert.- As with the known solutions, the edge flow is on the blade head equally affected by the Extraction of the gap mass flow into the labyrinth. Ver Luste and thickness of the marginal flows are unchanged here.
- - In der Fußpartie der darauffolgenden Leitschaufel sind indessen die Randverluste massiv reduziert, weil der Spaltströmung infolge fester Führung im Spaltgitter eine Abströmrichtung aufgezwungen wird, die eine Unter strömung weitgehend vermeidet.- In the foot section of the following guide vane however, the edge losses are massively reduced because of the Slit flow due to fixed guidance in the slit grid an outflow direction is forced, which is a sub largely avoids flow.
Wendet man die erfindungsgemäße Lösung bei typischen Hochdruckstufen von Dampfturbinen nur am Gehäuse an, d. h. in den Laufschaufellabyrinthen, so läßt sich bereits eine Verbesserung des Stufenwirkungsgrades um ca. 0,7%-Punkte erzielen, wie Rechnungen zeigten. Bei Anwendung sowohl am Gehäuse als auch in den Leitschaufellabyrinthen ist eine Verbesserung von ca. 1,2%-Punkten zu erwarten.Applying the solution according to the invention in typical High pressure stages of steam turbines only on the housing, i. H. in the blade labyrinths, so you can already an improvement in the stage efficiency by approx. 0.7 percentage points achieve, as calculations showed. When using both on the housing as well as in the guide vane labyrinths an improvement of approx. 1.2 percentage points can be expected.
Diese Werte sind bereits erzielbar mit einem sogenannten offenen Spaltgitter, bei dem die Schaufelspitzen mit Spiel gegen die Wandungen dichten.These values can already be achieved with a so-called open split grille, in which the blade tips with play seal against the walls.
Weitere Verbesserungen sind erzielbar, wenn in Ausgestaltung der Erfindung ein sogenanntes geschlossenes Spaltgitter angewendet wird, welches an den Schaufelspitzen mit Deck platten oder einem durchgehenden Deckband versehen ist, die ihrerseits mit einem zweiten Dichtstreifen gegen die Wandungen dichten. Further improvements can be achieved if in design the invention a so-called closed slit grid is used, which is on the blade tips with deck plates or a continuous cover tape, which in turn with a second sealing strip against the Seal walls.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.In the drawing are two embodiments of the invention shown schematically.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Teilansicht eines Axialschnittes durch eine axial durchströmte thermische Turbomaschine; Figure 1 is a partial view of an axial section through an axially flowed through thermal turbomachine.
Fig. 2 einen Schnitt nach Linie A-A in Fig. 1; Fig. 2 is a section along line AA in Fig. 1;
Fig. 3 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1; Fig. 3 shows a modification of the arrangement of Fig. 1;
Fig. 4 einen Schnitt nach Linie B-B in Fig. 3. Fig. 4 shows a section along line BB in Fig. 3.
In den verschiedenen Figuren sind dieselben Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen; die Strömungsrich tung des Arbeitsmediums ist mit Pfeilen bezeichnet.The same elements are used in the different figures provided with the same reference numerals; the flow direction direction of the working medium is indicated by arrows.
Der in Fig. 1 dargestellte Turbinenteil zeigt zwei Leitschau felkränze 1 und zwei Laufschaufelkränze 2 einer Dampf turbine. Die erfindungsunwesentlichen Schaufelbefesti gungen sind hier in ihrer einfachsten Form dargestellt. Die Laufschaufeln 3 sitzen mit einem sogenannten Hammer kopffuß 4 in entsprechenden Nuten des Rotors 5 und sind am Kopfende mit einer Deckplatte 6 versehen. Die Leitschaufeln 7 sitzen mit ihrem Fuß 8 in entsprechenden Nuten des Gehäuses respektive Leitschaufelträgers 9 und sind darin mittels Keilen 10 festgehalten. Auch sie tragen an ihrem Kopfende Deckplatten 11.The turbine part shown in Fig. 1 shows two guide rings 1 and two rotor blades 2 of a steam turbine. The Schaufelbefesti conditions not essential to the invention are shown here in their simplest form. The blades 3 sit with a so-called hammer cephalopod 4 in corresponding grooves of the rotor 5 and are provided with a cover plate 6 at the head end. The guide vanes 7 sit with their feet 8 in corresponding grooves in the housing or guide vane carrier 9 and are held therein by means of wedges 10 . They also have cover plates 11 at their head end.
Die eigentliche durchströmte Kanalkontur wird gebildet von den Innenseiten der Deckplatten und von den Fußplatten der Schaufeln. Am Rotor verläuft hier die Kontur zylind risch, am Gehäuse konisch entsprechend der Volumenzunahme anläßlich der Entspannung in der Beschaufelung.The actual channel contour with flow is formed from the inside of the cover plates and from the foot plates the shovels. The contour is cylindrical on the rotor rical, conical on the housing according to the volume increase on the occasion of relaxation in the blading.
Die berührungsfreie Dichtung findet zylinderseitig statt in einem Ringraum, der gebildet wird durch die seitlichen Fußflächen der Leitschaufeln 7, die Gehäusewandung 12 und die Außenseite der Deckplatten 6. Ein einziger, mittels eines Drahtes 13 in der Gehäusewandung 12 eingestemmter Dichtstreifen 14 unterteilt den Ringraum in eine strom aufwärtige Kammer 15 und eine stromabwärtige Kammer 16.The contact-free seal takes place on the cylinder side in an annular space which is formed by the lateral foot surfaces of the guide blades 7 , the housing wall 12 and the outside of the cover plates 6 . A single sealing strip 14 , which is caulked in the housing wall 12 by means of a wire 13, divides the annular space into an upstream chamber 15 and a downstream chamber 16 .
Rotorseitig wird ein entsprechender Ringraum gebildet durch die seitlichen Fußflächen zweier benachbarter Lauf schaufeln 3, die Rotorwandung 17 und die Außenseite der Deckplatten 11. Auch hier unterteilt ein in der Rotor wandung 17 eingestemmter Dichstreifen 14′ den Ringraum in eine stromaufwärtige Kammer 15′ und eine stromabwärtige Kammer16′.A corresponding annular space is formed on the rotor side by the lateral foot surfaces of two adjacent rotor blades 3 , the rotor wall 17 and the outside of the cover plates 11 . Here, too, a sealing strip 14 ' caulked in the rotor wall 17 ' divides the annular space into an upstream chamber 15 ' and a downstream chamber 16' .
Der den Spaltmassenstrom bestimmende Ringspalt 19 zwischen den Dichtstreifen 14, 14′ und den Deckplatten 6, 11 wird auf den kleinstmöglichen noch zulässigen Wert dimensio niert.The annular gap 19 determining the gap mass flow between the sealing strips 14, 14 ' and the cover plates 6, 11 is dimensioned to the smallest possible still permissible value.
Die Geschwindigkeit des in den Ringraum abgesaugten Spalt stromes wird beim Durchströmen des Ringspaltes stark erhöht. Die bei den bekannten Labyrinthen hinter den Dichtstreifen in der stromabwärtigen Kammer anfallende Dissipation, die im wesentlichen durch Ausgleichseffekte sowie ins besondere durch Unterströmung der nachfolgenden Schaufel reihe verursacht wird, gilt es nun zu vermeiden.The speed of the gap sucked into the annulus current is greatly increased when flowing through the annular gap. The one behind the sealing strips in the well-known labyrinths dissipation occurring in the downstream chamber, which are essentially due to compensation effects and ins especially by underflow of the following blade row is to be avoided.
Hierzu werden erfindungsgemäß die Deckplatten 6 der Lauf schaufeln 3 und die Deckplatten 11 der Leitschaufeln 7 mit einem Spaltgitter 20 versehen, das von der energie reichen Leckströmung aus den Ringspalten 19 beaufschlagt wird. Das Gitter ist dabei so profiliert, daß die Leck strömung in die gleiche Richtung umgelenkt wird, die die Hauptströmung am Austritt aus den Leitschaufeln 7 respek tiv den Laufschaufeln 3 aufweist.For this purpose, according to the invention, the cover plates 6 of the blades 3 and the cover plates 11 of the guide vanes 7 are provided with a split screen 20 which is acted upon by the energy-rich leakage flow from the annular gaps 19 . The grid is profiled so that the leakage flow is deflected in the same direction that the main flow at the outlet from the guide vanes 7 and the rotor blades 3 tek.
In Fig. 2 ist erkennbar, daß die Austrittswinkel vom Spaltprofil 20 und von der Laufschaufel 3 etwa übereinstimmen. Da die hochbelasteten Schaufeln von Dampfturbinen in der Regel aus dem Vollen gefräst sind, bietet es sich an, daß an jeder Schaufel an der Deckplattenaußenseite ein Profil herausgearbeitet ist. Im vorliegenden Fall wurde ein elliptisches Gleichdruckprofil gewählt, welches in der Art einer Spitzendichtung gegen die Gehäusewandung 12 abschließt (Fig. 1). Der relativ dünne Schaufelquer schnitt (Fig. 2) entspricht dabei einer wegen Streifgefahr in der Regel üblichen Spitzenschärfung. Das Gleichdruck profil weist den Vorteil auf, daß im Spalt zwischen Schaufel spitze und Wandung die Leckströmung über das Gitter hinweg auf ein Minimum reduziert wird.In Fig. 2 it can be seen that the exit angles from the gap profile 20 and from the blade 3 coincide approximately. Since the highly loaded blades of steam turbines are usually milled from solid material, it is advisable that a profile is worked out on the outside of the cover plate on each blade. In the present case, an elliptical constant pressure profile was chosen, which terminates in the manner of a tip seal against the housing wall 12 ( FIG. 1). The relatively thin blade cross-section ( FIG. 2) corresponds to a tip sharpening which is usually customary because of the risk of grazing. The constant pressure profile has the advantage that in the gap between the tip of the blade and the wall, the leakage flow over the grid is reduced to a minimum.
In den Geschwindigkeitsdreiecken in Fig. 2 bedeuten:
u die Umfangsgeschwindigkeit
c die Absolutgeschwindigkeiten
w die Relativgeschwindigkeiten
die Indices 1 stehen für die Eintrittsbedingungen
die Indices 2 für Austrittsbedingungen
die Indices s für Spaltstrom.In the speed triangles in Fig. 2 mean:
u the peripheral speed
c the absolute speeds
w the relative speeds
the indices 1 stand for the entry conditions
the indices 2 for exit conditions
the indices s for gap current.
Es ist erkennbar, daß die Relativgeschwindigkeit w 1s hinter dem Dichtstreifen 14 auf ca. den 3fachen Wert der Relativ geschwindigkeit w 1 am Schaufeleintritt angestiegen ist. Diese somit energiereiche Strömung verrichtet Arbeit im Spaltgitter.It can be seen that the relative speed w 1 s behind the sealing strip 14 has risen to approximately 3 times the value of the relative speed w 1 at the blade inlet. This high-energy flow does work in the slit grid.
Durch Auffächerung der Strömung im Spaltgitter reduziert sich dessen axiale Austrittsgeschwindigkeit. Damit erklärt sich einerseits die schon oben erwähnte kleinere kinetische Restenergie am Gitteraustritt. Andererseits führt dies dazu, daß gemäß Austrittsdreieck die für den Eintritt in das nachfolgende Leitgitter maßgebliche Absolutaus trittsgeschwindigkeit c 2s in der Richtung stimmt und damit zu einer sehr geringen Unterströmung führt.By fanning out the flow in the slit grid, its axial exit velocity is reduced. This explains, on the one hand, the smaller kinetic residual energy already mentioned above at the lattice outlet. On the other hand, this leads to the fact that, according to the exit triangle, the absolute exit velocity c 2 s which is decisive for entry into the following guide vane is correct in the direction and thus leads to a very low underflow.
Die mit dem offenen Spaltgitter 20 erzielbaren Gewinne sind bereits beträchtlich, obschon infolge der großen Ausgleichseffekte innerhalb des Gitters und auch wegen des relativ zur Gitterhöhe großen Spiels zwischen Schaufel spitze und Begrenzungsgrad 12 respektiv 17 ein bescheidener Wirkungsgrad - resultierend aus eher ungünstigen Schätz werten für die Gittereigenschaften - für die Rechnung zugrundegelegt wurde.The gains that can be achieved with the open slotted grille 20 are already considerable, although due to the large compensating effects within the grille and also because of the large clearance between the blade tip and the degree of limitation 12 and 17 respectively relative to the grille height, the efficiency is modest - resulting from rather unfavorable estimates of the grille properties - was used as the basis for the invoice.
Mit einer Variante, wie sie Fig. 3 dargestellt ist, lassen sich zweifellos weitere Verbesserungen erzielen. Das dortige Spaltgitter 20′ ist ein sogenanntes geschlosse nes Gitter, bei dem die einzelnen Profile an ihrem Kopfende mit einer Deckplatte 21 abschließen. Diese Deckplatte wiederum wird mit einem in der Gehäusewand 12 eingestemm ten zweiten Dichtstreifen 22 abgedichtet. Diesbezüglich sind indessen keine besonderen Ansprüche zu stellen, da der Druck unmittelbar hinter den ersten Dichtstreifen 14 bereits einen Wert aufweist, der jenem am Schaufel austritt entspricht.With a variant as shown in FIG. 3, further improvements can undoubtedly be achieved. The slit grid there 20 ' is a so-called closed nes grid, in which the individual profiles at their head end with a cover plate 21 . This cover plate is in turn sealed with a caulking in the housing wall 12 th second sealing strip 22 . In this regard, however, no special claims are to be made, since the pressure immediately behind the first sealing strip 14 already has a value which corresponds to that at the blade.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß das gewählte Gleichdruck profil unter anderem zum Tragen der Deckplatte 21 einen relativ großen Querschnitt aufweist. Es ist überdies infolge stark gerundeter Nase unempfindlich auf Zuström richtung.From Fig. 4 it can be seen that the selected constant pressure profile, among other things, for carrying the cover plate 21 has a relatively large cross section. It is also insensitive to the inflow direction due to the strongly rounded nose.
Claims (5)
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| DE19853523469 DE3523469A1 (en) | 1985-07-01 | 1985-07-01 | Contact-free controlled-gap seal for turbo-machines |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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Family
ID=6274657
Family Applications (1)
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Country Status (1)
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