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Diese
Erfindung betrifft im Wesentlichen Dichtungen zwischen rotierenden
und feststehenden Maschinenkomponenten und insbesondere eine Blattdichtungsanordnung
zwischen einem Stator und einem Turbinenrotor.
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Ein
Gasturbinenbetrieb hängt
von der kontrollierten Strömung
von Luft zwischen rotierenden und feststehenden Komponenten ab.
Zwischen diese Komponenten werden Dichtungen eingefügt, um die
Strömung in
den gewünschten
Pfaden zu führen.
Beispielsweise kann es in einigen Fällen erwünscht sein, Strömung in einigen
Richtungen zu verhindern, wie z.B. in Lagergehäuse, während es in anderen Fällen erwünscht sein kann,
eine kontrollierte Strömungsmenge
zu führen,
um aktiv Hohlräume
zu spülen,
Komponenten zu kühlen und
um zu verhindern, dass Gase des heißen Strömungspfades Rotorkomponenten
berühren.
Beispiele dieses letzteren Typs einer Dichtung kann man in dem Kompressorausgabe-Sekundärströmungskreis
und in den Pfaden um die Turbinenleitapparatnzwischenböden finden.
Die Schaffung einer Dichtung, welche eine kontrollierte Austrittsmenge
unabhängig
von einem Betriebszustand, thermischen Übergangszuständen und
dem Betriebsalter bereitstellt, war eine ständige Konstruktionsaufgabe.
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Eine
Anzahl unterschiedlicher Dichtungskonstruktionen wurde bereits in
der Gasturbinenindustrie verwendet. Diese umfassen: "Kürbiszahn"-Dichtungen; Labyrinthdichtungen; Wabendichtungen;
und Bürstendichtungen.
Alle diese Konstruktionen sind dafür gedacht, einen "gewundenen" Pfad für die Luft
zu erzeugen und somit den Austritt dadurch zu minimieren. Die Tabelle
1 beschreibt die herkömmlichen
Dichtungen, indem sie diese qualitativ auf der Basis bestimmter
Schlüsselmerkmale
vergleicht:
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US 4,481,961 ,
US 5,632,493 und
US 5,099,886 offenbaren alle herkömmlichen
Dichtungsanordnungen, in welchen ein direkter Kontakt der Dichtungskomponenten
mit dem sich bewegenden Teil aufrechterhalten wird.
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Man
beachte, dass in vielen Anwendungen ein bestimmter minimaler Luftaustrittsgrad
erforderlich ist, um eine Hohlraumsäuberungsströmung sicherzustellen, die groß genug
ist, um einen Kontakt von Rotorstrukturkomponenten mit Gasen des
heißen
Gaspfades auszuschließen.
Aus diesem Grunde können
Lö cher,
die es Luft ermöglichen,
die Dichtung zu umgehen, innerhalb von Bürsten- oder Wabendichtungen
enthalten sein. Eine Schwierigkeit bei diesem Lösungsansatz besteht jedoch
darin, dass zur Sicherstellung eines sicheren Betriebs die Löcher so
bemessen sein müssen,
dass sie eine ausreichende Strömung
auf der Basis einer neuen Dichtungskonfiguration bereitstellen.
Wenn sich die Dichtung später
verschlechtert und stärker
leckt wie im Neuzustand, ist die Gesamtströmung an der Dichtung größer als
die Konstruktionsanforderungen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Dichtungsanordnung
zum Einbau zwischen rotierenden und feststehenden Komponenten einer
Maschine bereitgestellt, wobei die Dichtungsanordnung aufweist:
mehrere
erste Blattfedersegmente, die an der feststehenden Komponente in
einer die rotierende Komponente umgebenden Umfangsanordnung angeordnet
sind, wobei die Blattfedersegmente jeweils einen radialen Befestigungsabschnitt
und einen im Wesentlichen axialen Dichtungsabschnitt aufweisen,
die mehreren Blattfedersegmente so angeordnet sind, dass sie in
einer Umfangsrichtung schindelartig überlagert sind, und das sie, wenn
sie zusammengebaut sind, einen radialen Spalt zwischen den mehreren
ersten Blattfederelementen und der rotierenden Komponente aufrecht
erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner mehrere zweite
Blattfedersegmente stromab von den mehreren ersten Blattfedersegmenten
aufweist, die an der stationären
Komponente befestigt und so angeordnet sind, dass sie an Rückseiten
entsprechender, im Wesentlichen axialer Dichtungsabschnitte der
mehreren ersten Blattfedersegmente angreifen.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Abdichten eines radialen Spaltes zwischen einem Rotor und einem
Stator in einer Turbine bereit, um so einen gesteuerten Austritt
von Luft durch den radialen Spalt zuzulassen, wobei das Verfahren
der Schritte aufweist: a.) Montieren mehrerer erster Blattfedersegmente
an dem Stator; b.) Anordnen der mehreren ersten Blattfedersegmente
in einer um den Umfang herum schindelartig überlagerten Anordnung um den
Rotor so, dass ein radialer Spalt zwischen dem Rotor und den mehreren
ersten Blattfedersegmenten aufrecht erhalten bleibt; und c.) Befestigen
von mehreren zweiten Blattfedersegmenten hinter entsprechenden von
den mehreren ersten Blattfedersegmenten, wobei die mehreren zweiten
Blattfedersegmente an den mehreren ersten Blattfedersegmenten angreifen.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet eine Umfangsanordnung von Blattdichtungen,
die in die Statorkomponente geklemmt sind (oder anderweitig befestigt
sind). In der bevorzugten Ausführungsform
weisen die einzelnen Blattdichtungskomponenten oder Segmente jeweils
eine primäre
oder Hauptfeder und eine Verstärkungsfeder
auf, die an dem Stator befestigt ist. Die Hauptfeder besitzt einen
Befestigungsabschnitt und einen Dichtungsabschnitt, der sich im
Wesentlichen axial entlang dem Rotor erstreckt, wobei es sich zu
der Rotoroberfläche
in der Strömungsrichtung
hin und dann davon weg krümmt.
Die Verstärkungsfeder
besitzt ebenfalls einen Befestigungsabschnitt und einen stärker gekrümmten Verstärkungsabschnitt,
der im Wesentlichen tangential mit der Rückseite der Hauptfeder in Eingriff
steht. Die Verstärkungsfeder
dient zwei Zwecken:
- 1. Aufgrund ihrer unterschiedlichen
Krümmung
und möglicherweise
unterschiedlichen Dicke ist die effektive Steifig keit der zwei Federn
zusammen nicht-linear (d.h., die Lastauslenkungskurve ist eine Kurve
und keine gerade Linie). Dieses ermöglicht es, die Dichtungsöffnung und
somit das Verhalten über
einen größeren Bereich
von Betriebsbedingungen zu optimieren.
- 2. Da die zwei Federn aneinander reiben, dienen sie als gegenseitige
Reibungsdämpfer,
was Schwingungen und Ermüdung
verhindert, die sich aus aerodynamischen Instabilitäten oder
Flattern der Dichtung ergibt.
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Die
kollektive Anordnung von Blattdichtungssegmenten ist in Umfangsrichtung überlappt
oder schindelartig angeordnet, was erfordert, dass die Verstärkungsfedern
in der tangentialen Länge
etwas kürzer
als die Hauptfedern sind. Die Hauptfedern werden mit einem kleinen
radialen Spalt in Bezug auf den Rotor montiert, wenn sich die Maschine
nicht in Betrieb befindet. Wenn die Maschine gestartet wird, entwickelt
sich ein Druckunterschied über
der Dichtung, wobei der höhere
stromauf liegende Druck versucht, die Dichtung aufzudrücken. Die
die Dichtung aufdrückende
Kraft basiert auf dem Unterschied zwischen dem stromaufseitigen
Gesamtdruck und dem stromabseitigen Gesamtdruck. Sobald eine Fluidströmung an
der Dichtung beginnt, sinkt die Kraft. Dieses beruht darauf, dass
die Luft eine Geschwindigkeit annimmt, und die Kraft von der Differenz zwischen
den statischen stromauf- und stromabseitigen Drücken abhängt. Die stromabseitige Geschwindigkeit ist
so niedrig, dass dieser statische Druck angenähert dem Gesamtdruck wird,
aber der stromaufseitige statische Druck (Öffnungskraft) um einen Betrag
proportional zu der Strömungsrate/Geschwindigkeit
abfällt.
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Da
die die Dichtung öffnende
Kraft abnimmt, wenn die Strömungsrate/Geschwindigkeit
zunimmt, und die die Dichtung schließende Federkraft mit der Dichtungsöffnung zunimmt,
kann die Dichtung so ausgelegt werden, dass sie einen kontrollierten "Austritt" für jeden
gegebenen Auslegungspunkt ermöglicht.
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Demzufolge
betrifft in einem Aspekt die Erfindung eine Dichtungsanordnung zum
Einbau zwischen rotierenden und feststehenden Komponenten einer
Maschine, welche mehrere erste Blattfedersegmente aufweist, die
an der feststehenden Komponente in einer die rotierende Komponente
umgebenden Umfangsanordnung angeordnet sind, wobei die Blattfedersegmente
jeweils einen radialen Befestigungsabschnitt und einen im Wesentlichen
axialen Dichtungsabschnitt besitzen, wobei die mehreren Federsegmente
in einer Umfangsrichtung schindelartig überlagert sind.
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In
einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Turbinenrotor-
und -statoranordnung mit einer Blattfederdichtungsbaugruppe, die
aufweist; einen den Rotor in radialer Abstandbeziehung dazu umgebenden Stator;
und eine Blattfederdichtung zwischen dem Rotor und dem Stator, wobei
die Blattfederdichtung mehrere erste Blattfedersegmente enthält, die
an dem Stator in einer Umfangsanordnung um den Rotor herum befestigt sind,
wobei die Blattfedersegmente in Umfangsrichtung schindelartig überlagert
sind, und jedes einen Dichtungsabschnitt aufweist, der einen vorbestimmten
radialen Spalt zwischen dem Dichtungsabschnitt und dem Rotor definiert,
wenn sich der Rotor in Ruhe befindet.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Dichten
eines radialen Spaltes zwischen ei nem Rotor und einem Stator, mit
den Schritten: a) Montieren mehrerer erster Blattfedersegmente an
dem Stator; und b) Anordnen der mehreren ersten Blattfedersegmente
in einer um den Rotor herum schindelartig überlagerten Anordnung.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 ein
schematischer Seitenquerschnitt von Blattdichtungskomponenten zwischen
einem Stator und Rotor gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung ist; und
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2 eine
schematische Endansicht ist, welche die Art darstellt, in welcher
die Blattdichtungskomponenten in einer Umfangsrichtung schindelartig
angeordnet oder überlappt
sind.
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In 1 sind
ein Rotor 10 und ein Stator 12 schematisch mit
einem radialen Spalt 14 dazwischen dargestellt. In einer
Gasturbinenumgebung wird ein Luftstrom in der durch einen Pfeil 16 dargestellten
Richtung durch eine Blattfederdichtungsbaugruppe 18 kontrolliert.
Die Dichtungsbaugruppe 18 weist einzelne Blattdichtungskomponenten
oder -segmente auf, die in Umfangsrichtung um den Rotor 10 in
einer "schindelartig" oder überlappten
Anordnung, wie sie am besten in 2 zu sehen
ist, angeordnet sind. Die kontrollierte Strömung ist gewünscht, um
beispielsweise aktiv Hohlräume
zu spülen,
während
gleichzeitig Komponenten gekühlt
werden, und um zu verhindern, dass Gase aus dem heißen Strömungspfad
Rotorkomponenten berühren,
wie z.B. in Kompressorauslass-Sekundärströmungskreisen und in Pfaden
um die Turbinenleitapparatzwischenböden.
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Jede(s)
einzelne Blattdichtungskomponente oder -segment enthält ein Hauptfederelementsegment 20 mit
einem Befestigungsabschnitt 22 und einen Dichtungsabschnitt 24.
Der erstere ist an dem Stator 12 mit irgendeiner geeigneten
Einrichtung (z.B. mechanisch festgeklemmt oder anderweitig geeignet
an dem Stator befestigt), während
sich der Dichtungsabschnitt in einer axialen Richtung auf den Rotor
zu und davon weg in einer Strömungsrichtung
mit einem minimalen radialen Spalt bei 26 erstreckt. Das
Hauptfedersegment 20 ist im Wesentlichen in einer tangentialen
Richtung, d.h., wie es in 2 zu sehen
ist, eben, wobei anzumerken ist, dass jedes Blattdichtungssegment
im Wesentlichen tangential in Bezug auf die Oberfläche 28 des
Rotors ausgerichtet ist. Die Erstreckung des Blattdichtungssegmentes
in der tangentialen Richtung wird hierin als seine tangentiale Länge bezeichnet.
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Jedes
Blattdichtungssegment enthält
auch ein sekundäres
oder Verstärkungsblattfedersegment 30, das
ebenfalls an dem Stator 12 in einer ähnlichen Weise befestigt ist.
Das Verstärkungsfedersegment 30 ist hinter
oder stromabwärts
von der Hauptfeder mit einem schärfer
gekrümmten
Abschnitt 32 angeordnet, der an der Rückseite der Hauptfeder in einer
im Wesentlichen tangentialen Weise angreift.
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Aus 2 wird
ersichtlich, dass zum Überlappen
oder schindelartigen Anordnen der einzelnen Blattdichtungsbaugruppen
ohne gegenseitige Störung
die Verstärkungsfedersegmente 30 eine
kürzere
tangentiale Länge
als die Hauptfedern haben. Trotzdem wird die Verstärkungsfeder
auf der Hauptfeder wie es gestrichelt in 2 dargestellt
ist, zentriert.
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Sowohl
die primären
als auch sekundären
Federsegmente 20, 30 sind bevorzugt aus Federstahl
aufgebaut, wobei die spezi fische Legierungszusammensetzung und Dicke
von jeder von der Anwendung abhängt.
Die tangentiale Länge
der Hauptfedern hängt
von der Anzahl der eingesetzten Segmente ab, welche wiederum anwendungsspezifisch
ist. Man wird erkennen, dass die entsprechenden effektiven Steifigkeiten
der Federelemente 20, 30 auf der Basis unterschiedlicher
Grade der Krümmung,
unterschiedlichen Dicken und unterschiedlichen Legierungen variieren
können.
Dieses bedeutet, dass die Federsteifigkeit nicht-linear wird, und somit
eine Dichtungsöffnung
und damit eine Optimierung des Verhaltens über einen breiten Bereich von
Betriebsbedingungen ermöglicht.
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Ein
weiterer Vorteil der Blattfederdichtung, die aus übereinander
schindelartig geschichteten Sehnensegmenten besteht, besteht darin,
dass eine Unsymmetrie des Gehäuses
aufgenommen werden kann, da sich die unterschiedlichen Segmente
selbst an unterschiedliche Auslenkungen anpassen, um einen konsistenten Zwischenraum
aufrechtzuerhalten.
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Vor
dem Start der Maschine sollten die Hauptfedersegmente 20 mit
einem kleinen Spaltabstand (bei 26) von der Rotoroberfläche eingebaut
werden. Zu diesem Zeitpunkt ist P1 (der Druck stromauf vor der Dichtung 18)
= P2 (der Druck stromab von der Dichtung 18) = P3 (der
Druck an dem radialen Spaltabstand 26). Wenn die Maschine
gestartet wird, nimmt P1 stärker
als P2 zu. In der dargestellten potentiellen Anwendung (der Hochdruckpackungsdichtung
einer speziellen Maschine) erreicht der Druck über Dichtung 18 2:1
bei voller Drehzahl/voller Last, was zu einer gedrosselten Strömung über der
Dichtung führt.
Bei niedrigem P1/P2 ist die Strömung über der
Dichtungsbaugruppe 18 niedrig, und somit ist die Strömungsgeschwindigkeit
niedrig, wie auch die Öffnungskraft.
Wenn P1/P2 zunimmt, nimmt auch die Mach-Zahl der Strömung über Dichtung ebenfalls
zu, und das Verhältnis
von P1/P3 nimmt ab. Während
P3 noch größer als
P2 ist, liegt er nicht soweit darüber wie P1, so dass eine verringerte
Kraft die Dichtung öffnet.
Diesem wird durch die Federkraft entgegengewirkt, welche sowohl
durch die Hauptfedersegmente 20 als auch die Verstärkungsfedersegmente 30,
die den Spaltabstand 26 schließen, ausgeübt wird. Somit wird die Strömung durch
P1/P2 und die ausgelegte Öffnung der
Dichtung bei Betriebsbedingungen kontrolliert. Somit passen sich
der Dichtungsspaltabstand 26 und der Austritt selbst an
die Betriebsbedingungen an. Wiederum schließen die Verstärkungsfedersegmente 30 jede Instabilität aus, wenn
sich die Dichtung anpasst.
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Typischerweise
weisen der Rotor 10 und der Stator 12 unterschiedliche Übergangsreaktionen
auf Veränderungen
in den Betriebsbedingungen der Maschine auf. Beim Startvorgang dreht
sich der Rotor 10 in der Richtung des Pfeils 34 und
kann stark gegenüber
dem Stator 12 aufgrund einer Zentrifugalbelastung zunehmen.
Anschließend
darauf reagiert der Stator 12 typischerweise thermisch
schneller als es der Rotor 10 macht und entfernt sich von
dem Rotor, welcher anschließend
einen Teil dieses Spaltes ausgleicht. Wenn die Maschine abgeschaltet
wird, wird der Vorgang umgekehrt. Das Druckverhältnis über der Dichtungsbaugruppe 18 wird unabhängig von
der Wärmeübergangsveränderung
groß und
somit die Öffnungskraft,
und der Dichtungsspalt 26 passt sich an diese Änderungen
an. Sobald der Spaltabstand 26 den Öffnungskräften folgt, arbeiten jedoch die
Federkräfte
so, dass sie diesen Kraftänderungen
entgegen wirken und somit die Strömungsveränderungen minimieren.
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Die
Oberflächen
der Hauptfedersegmente 20 und Verstärkungsfedersegmente 30 sind
alle glatt, so dass nur ein gerin ger Reibungs-induzierter Temperaturanstieg
vorliegt. Da kein Kontakt zwischen der Dichtungsbaugruppe 18 und
der Oberfläche
des Rotors 10 vorhanden ist, gibt es nur eine geringe,
falls überhaupt, Verschlechterung
der Dichtung.
