DE69820960T2

DE69820960T2 - Kombinierte Bürsten/Labyrinth Dichtung für Rotationsmaschinen

Info

Publication number: DE69820960T2
Application number: DE69820960T
Authority: DE
Inventors: Robert Harold Johnstown Cromer; Bharat Sampathkumar Niskayuna Bagepalli; Norman Arnold Cobleskill Turnquist; Christopher Edward Niskayuna Wolfe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1998-10-23
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2018-10-24
Also published as: EP0911554A1; US6027121A; TW384353B; KR100503999B1; JPH11201293A; KR19990037110A; DE69820960D1; EP0911554B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Turbomaschinen im Allgemeinen und insbesondere auf kombinierte Labyrinth/Bürstendichtungen für Dampf- und Gasturbinen.
Rotations- bzw. Drehmaschinen, wie beispielsweise Dampf- und Gasturbinen, die zur Leistungserzeugung und für mechanische Antriebsanwendungen benutzt werden, sind im Allgemeinen große Maschinen, die aus vielen Turbinenstufen bestehen. Ein Hochdruckfluid, das durch die Turbinenstufen strömt, muss durch eine Reihe von stationären und umlaufenden Komponenten hindurchtreten, und zwischen den stationären und umlaufenden Komponenten werden Dichtungen verwendet, um die Leckage zu steuern. Der Wirkungsgrad der Turbine ist direkt abhängig von dem Vermögen der Dichtungen, eine Leckage, z. B. zwischen dem Rotor und dem Stator, zu verhindern.
Turbinenkonstruktionen werden üblicherweise klassifiziert als entweder ein Impulstyp (wobei der größere Teil des Druckabfalles über feststehenden Düsen auftritt) oder als Reaktionstyp (wobei der Druckabfall gleichmäßiger zwischen den rotierenden und stationären Schaufeln auftritt). Beide Konstruktionen verwenden scharfe, feste Zähne, die als Labyrinth-Dichtungen bekannt sind, um die Leckage zu steuern. Traditionell werden Labyrinth-Dichtungen mit entweder einer hoch-tief (abwechselnde Zahnhöhe) oder gerader Wellenkonstruktion verwendet. Derartige Dichtungen werden praktisch an allen Turbinenstellen verwendet, wo eine Leckage zwischen rotierenden und stationären Komponenten gesteuert werden muss. Diese umfassen Zwischenstufen-Wellendichtungen, Rotorendichtungen und Leitschaufel-(oder Laufschaufel)-Spitzendichtungen. Zwar haben sich Labyrinth-Dichtungen als recht zuverlässig erwiesen, aber ihr Leistungsvermögen verschlechtert sich über der Zeit als eine Folge von flüchtigen Ereignissen, bei denen die stationären und umlaufenden Komponenten aneinander angreifen, die Labyrinth-Zähne zu einem „Pilz"-Profil gerieben werden und der Dichtungsspalt sich öffnet.
Ein anderer Dichtungstyp, der in vielen Umgebungen verwendet wird, die Drehmaschinen enthalten, ist eine Bürstendichtung. Bürstendichtungen sind im Allgemeinen weniger anfällig gegenüber Leckage als Labyrinth-Dichtungen. Eine Bürstendichtung kann auch eine relative radiale Bewegung zwischen feststehenden und umlaufenden Komponenten, beispielsweise zwischen einem Rotor und einem Stator, aufnehmen aufgrund der Biegung der Dichtungsborsten. Bürstendichtungen passen sich im Allgemeinen besser an Ungleichförmigkeiten der Oberfläche an. Das Ergebnis der Verwendung von Bürstendichtungen ist ein besseres dauerhaftes Leistungsvermögen der Drehmaschine, als es mit Labyrinth-Dichtungen im Allgemeinen möglich ist.
Die Kombination von Bürstendichtungen mit Labyrinth-Dichtungen für Turbinenanwendungen ist in den im gemeinsamen Besitz befindlichen anhängigen Anmeldungsnummern 08/672,665, eingereicht am 28. Juni 1996, und 08/719,667, eingereicht am 25. September 1996, offenbart. EP-A-0 816 725 und EP-A-0 816 726 sind Familienmitglieder dieser Anmeldungen.
Bürstendichtungen, die in den '665 und '667 Anmeldungen offenbart sind, weisen Borstenpakete auf, die zwischen zwei festen Platten befestigt sind, wobei die Borsten an den Platten angeschweißt sind. Die Platten sind präzise bearbeitet, um in eine stationäre ringförmige Vertiefung zu passen (die Bürstendichtungen weisen üblicherweise vier Segmente auf, die im eingebauten Zustand eine 360° Dichtung bilden). Die einzelnen Bürstendichtungen als solche sind für eine Vertiefung mit einem bestimmten Durchmesser ausgestaltet. Auf dem Gebiet von Industrie/Turbomaschinen können jedoch Dichtungen mit mehreren unterschiedlichen Durchmessern erforderlich sein, die trotzdem im Wesentlichen identische Funktionen ausüben. Dementsprechend sind unterschiedliche Werkzeuge für jede kleine Durchmesserän derung erforderlich, die die Kosten derartiger Dichtungen signifikant erhöhen. Eine Labyrinth/Bürstendichtungskombination ist auch aus U5-A-5,630,590 bekannt.
Gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Labyrinth/Bürstendichtungskombination für eine Drehmaschine bereitgestellt, enthaltend ein bogenförmiges Segment mit einer vorbestimmten axialen Ausdehnung, das mehrere axial im Abstand angeordnete, in Umfangsrichtung und radial verlaufende Dichtungszähne trägt, und wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung von diskreten Borsten, die von dem Segment an einem vorbestimmten Ort davon getragen sind und über die radiale Ausdehnung der Zähne hinausragen, wobei die Borsten in einem ersten flexiblen Trägerband gehalten sind, das in einem Schlitz in dem Segment verschiebbar und lösbar aufgenommen ist.
Gemäss einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Drehmaschine bereitgestellt, enthaltend: eine drehbare Komponente, eine feststehende Komponente, die die drehbare Komponente umgibt, wobei die Komponenten um eine gemeinsame Achse liegen, eine Labyrinthdichtung zwischen den feststehenden und drehbaren Komponenten, die mehrere Dichtungssegmente aufweist, die jeweils mehrere axial im Abstand angeordnete, in Umfangsrichtung verlaufende Zähne enthalten, die radial in Richtung auf die drehbare Komponente vorstehen, wobei jedes Labyrinthdichtungssegment wenigstens eine Bürstendichtung enthält, die eine Anordnung von diskreten Borsten aufweist, die von der feststehenden Komponente getragen sind für eine Anordnung axial neben wenigstens einem der Zähne, wobei die diskreten Borsten in einem ersten langgestreckten, flexiblen, verformbaren Trägerband angebracht sind und wobei das Band in einem bogenförmigen Schlitz, der in dem Segment ausgebildet ist, verschiebbar aufgenommen ist, wodurch sich die Bürstendichtung an die Krümmung des Segmentes anpasst.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden besondere Bürstendichtungssegmente bereitgestellt, die eine größere Flexibilität in Bezug auf Dichtungsdurchmesser haben und die die Kosten der Dichtungen signifikant senken.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Bürstenborsten in einem flexiblen Halter in der Form von einem langgestreckten Kanalstück aus rostfreiem Stahl befestigt, das um die Borsten gebogen ist. Diese Anordnung gestattet eine einfache und kosteneffektive Fertigung von im Wesentlichen kontinuierlichen Längen des Borstenabschnittes der Bürstendichtung, und zwar unabhängig von dem endgültigen Durchmesser der Dichtung.
Der Bürstenabschnitt, der in geeignete Segmentlängen geschnitten ist, wird dann durch Schieben in T-förmige Nuten eingebaut, die, beispielsweise in Labyrinth-Dichtungssegmenten, neben einem der festen Labyrinth-Zähne hergestellt sind, der die Borsten trägt. Die T-förmigen Nuten werden für den erforderlichen Durchmesser hergestellt, und der getrennt gefertigte Bürstenabschnitt kann auf die Segmentlängen geschnitten und in die Nuten geschoben werden, wobei sich das flexible Kanalstück an die Krümmung der Nut anpasst. In dem Ausführungsbeispiel können die Bürstenabschnitte mit dem flexiblen Halter in entsprechenden Segmentnuten durch Senkschrauben oder andere geeignete Mittel befestigt werden.
Der signifikante Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Bürstenanordnung mit der flexiblen Deckkomponente getrennt in einer kosteneffektiven Art und Weise gefertigt und dann in verschiedene Durchmesser aufweisende T-Nuten eingebaut werden kann, die in die Labyrinth-Segmente, Stator- oder andere stationäre Maschinenkomponenten geschnitten sind.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung von einem üblichen Labyrinth-Dichtungsringsegment ist;
2 eine schematische Darstellung von einer kombinierten Labyrinth/Bürstendichtung gemäß der Erfindung ist;
2A ein vergrößertes Detail ist, das die Bürstendichtung und einen benachbarten Labyrinthzahn darstellt;
3 eine perspektivische Teilansicht von einer Länge der Bürstendichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
4 eine perspektivische Teilansicht von einer langgestreckten Lehre ist, die in die Bürstendichtung gemäß 3 eingebaut ist;
5 eine Teilseitenansicht von Bürstenborsten ist, die gemäß der Erfindung um 45° geneigt sind; und
6 eine perspektivische Teilansicht von einer langgestreckten Lehre und Bürstendichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.
Es wird nun auf die Zeichnungen und insbesondere 1 Bezug genommen, wo ein Abschnitt von einer üblichen Drehmaschine dargestellt ist, beispielsweise eine Dampfturbine mit einer Turbinenwelle 10, die in einem Turbinengehäuse 12 angeordnet ist, wobei diese Welle 10 durch übliche Mittel, nicht gezeigt, in dem Turbinengehäuse 12 gehaltert ist. Eine Labyrinth-Dichtung, die allgemein mit 14 bezeichnet ist und zwischen der umlaufenden Welle 10 und dem stationären Gehäuse 12 angeordnet ist, enthält einen Dichtungsring 16, der um die Welle 10 herum angeordnet ist und die Hochdruck- und Niederdruckbereiche auf axial gegenüberliegenden Seiten des Ringes trennt. Es sei darauf hingewiesen, dass zwar nur eine Dichtung 16 gezeigt ist, aber üblicherweise vielstufige Labyrinth-Dichtungen um die Rotorwellen herum vorgesehen sind. Jeder Dichtungsring 16 ist aus einer Ringanordnung (gewöhnlich vier oder mehr) bogenförmigen Dichtungselementen 18 gebildet, die Dichtungsflächen 20 und mehrere radial vorstehende, axial im Abstand angeordnete Zähne 22 aufweisen. Die gezeigten Zähne haben eine Hoch/Tief-Konstruktion, um enge Spielräume mit den radialen Vorsprüngen oder Rippen 24 und den Vertiefungen 26 der Welle 10 zu erhalten. Die Labyrinth-Dichtung arbeitet in der Weise, dass eine relativ große Anzahl von Trennwänden, d. h. den Zähnen, gegenüber der Fluidströmung von einem Hochdruckbereich zu einem Niederdruckbereich auf gegenüberliegenden Seiten der Dichtung angeordnet wird, wobei jede Trennwand das Fluid zwingt, einem gewundenen Pfad zu folgen, wodurch ein Druckabfall erzeugt wird. Die Summe der Druckabfälle über der Labyrinth-Dichtung ist per Definition die Druckdifferenz zwischen den Hochdruck- und Niederdruckbereichen auf ihren axial gegenüberliegenden Seiten. Diese Labyrinth-Dichtungsringsegmente sind üblicherweise durch eine Feder abgestützt und sind somit frei, sich radial zu bewegen, wenn sie heftigen Rotor/Dichtungs-Eingriffen ausgesetzt werden. In gewissen Konstruktionen halten die Federn die Dichtungsringsegmente 16 radial außen entfernt von dem Rotor, beispielsweise während des Starts und des Ausschaltens, wobei ein Fluiddruck zwischen den Dichtungsringsegmenten und dem Rotorgehäuse zugeführt wird, um die Dichtungsringsegmente radial nach innen zu verschieben, um einen kleineren Spalt mit dem Rotor zu erhalten, d. h. die Dichtungen zu schließen, nachdem der Rotor auf Drehzahl gebracht worden ist.
Es wird nun die 2 und 2A Bezug genommen, wo ein Ausführungsbeispiel von einer kombinierten Labyrinth/Bürstendichtung 28 dargestellt ist, die als ein Nachrüst- oder Originalteil in eine Labyrinth-Dichtung eingebaut ist. In dieser Anordnung ist eine T-förmige Vertiefung 30 in dem Labyrinth-Dichtungssegment 32 ausgebildet, wobei das Querteil von der Vertiefung neben dem zentral angeordneten massiven Zahn 34 angeordnet ist. In der Strömungsrichtung, die durch einen Pfeil 36 angegeben ist, liegt der massive Labyrinthzahn 34 auf der stromabwärtigen Seite von dem Bürstendichtungssegment 32, um die Bürstenborsten 38 in der axialen Richtung zu stützen.
Die Borsten 38 (am besten zu sehen in den 3 und 5) von dieser neuen Dichtung sind aus üblichem Bürstendichtungsmateri al gebildet, z. B. Drähten aus rostfreiem Stahl Haynes 25. Es können jedoch auch andere Legierungen für spezielle Anwendungen geeignet sein. Die steifen Drahtborsten sind in zwei oder mehr Schichten angeordnet und in einem Winkel von 45° geneigt, wie es am besten in den 2, 3 und 6 zu sehen ist. Entlang der Faltungslinie sind die Borsten durch gewebte Fasern 40 derart zusammengehalten, dass die Borsten über ein dünnes (z. B. 10 Mils), flexibles Metallband oder eine Lehre 42 gefaltet werden können, wie es am besten in 4 zu sehen ist, wobei sich die gewebten Fasern 40 entlang dem Oberteil von der Lehre 42 erstrecken. Nachdem die Borsten über die Lehre gefaltet sind, wird ein anderes dünnes (etwa 20 Mils) flexibles Metallband 44 um die Lehre gebogen, wie es in den 2 und 3 gezeigt ist, um die Dichtungsanordnung zu vervollständigen. Es ist bevorzugt, dass die Lehre 42 und das Band 44 nicht besonders elastisch sind, so dass, wenn sie gebogen sind (wie es nachfolgend beschrieben wird), sie nicht die Tendenz haben, in eine geradere Form zurückzuspringen. Es ist auch möglich, dass die Borsten 38 von jeder Borstenschicht direkt an der Lehre angeschweißt wird, wodurch das Erfordernis für die gewebten Querfasern 40 eliminiert wird. Wie beispielsweise in 6 zu sehen ist, sind Borsten 38 an und zwischen zwei Lehrenstreifen 42a und 42b angeschweißt.
Es wird deutlich, dass die Bürstendichtung als solche in einer im Wesentlichen endlosen oder kontinuierlichen Form gefertigt werden kann, und zwar unabhängig von irgendeiner Durchmesservertiefung, in der sie angeordnet werden kann.
Bei Benutzung wird ein Segment mit einer geeigneten Länge von dem Vorrat geschnitten und in die präzise bearbeitete T-Nut 30 in einem Labyrinth-Dichtungssegment 32 geschoben. Wenn das Segment in die Nut geschoben ist, passt sich das flexible Dichtungselement leicht an den Durchmesser der Nut an. Nach dem Einsetzen können Stellschrauben (eine ist bei 46 gezeigt) oder andere geeignete Mittel verwendet werden, um die Bürstenkompo nente in radialer Richtung in ihrer Lage in der Nut 30 zu verriegeln. Die Stellschraube verhindert auch jede Umfangswanderung der Bürstenkomponente innerhalb der Nut.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sorgt der nächste benachbarte Labyrinthzahn 34 auf der Niederdruckseite der Bürstendichtung für eine seitliche Abstützung für die Borsten 38, wie es oben beschrieben ist. Wie am besten in 2 zu sehen ist, erscheint aufgrund der 45° Schrägstellung der Borsten 38 ein freier dreieckförmiger Bereich 39 an dem Ende von jedem Segment. Der Zahn 34 bewirkt trotzdem weiterhin für einen Dichtungsgrad an dieser Stelle.
Zusätzlich muss die Länge der Borsten 38 nicht auf präzise Toleranzen geschnitten werden, weil sie sich im Wesentlichen schnell auf die erforderliche Länge abnutzen, wenn sie zunächst auf eine etwas größere Länge geschnitten sind als es erforderlich ist (siehe 2A), und zwar als ein Ergebnis des Kontaktes mit dem Rotor. Indem das Dichtungssegment auf diese Weise aufgebaut ist, sind die Kosten signifikant gesenkt worden, insbesondere weil die Dichtung an jeden Durchmesser anpassbar ist und bezüglich enger Toleranzen wenig erforderlich ist.
Es wird auch deutlich, dass der Ort bzw. die Lage der Bürstenkomponente in der Labyrinth-Dichtung verändert werden kann und dass die Anzahl der Bürstenkomponenten innerhalb der Dichtung ebenfalls verändert werden kann.
Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit dem beschrieben worden, was gegenwärtig als das praktikabelste und bevorzugte Ausführungsbeispiel betrachtet wird, es ist aber verständlich, dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt sein soll, sondern dass sie im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen einschließen soll, die innerhalb des Schutzumfanges der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Labyrinth/Bürstendichtungskombination für eine Drehmaschine enthaltend ein bogenförmiges Segment (32) mit einer vorbestimmten axialen Ausdehnung, das mehrere axial im Abstand angeordnete, in Umfangsrichtung und radial verlaufende Dichtungszähne (34) trägt, und wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung von diskreten Borsten (38), die von dem Segment an einem vorbestimmten Ort davon getragen sind und über die radiale Ausdehnung der Zähne hinausragen, wobei die Borsten in einem ersten flexiblen Trägerband (44) gehalten sind, das in einem Schlitz (30) in dem Segment verschiebbar und lösbar aufgenommen ist.
Labyrinth/Bürstendichtungskombination nach Anspruch 1, wobei die Borsten um ein weiteres flexibles Trägerband (42) gefaltet und durch das erste flexible Band (44) in ihrer Lage gehalten sind, das um das weitere flexible Trägerband gebogen ist.
Labyrinth/Bürstendichtungskombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Borsten (38) um eine Faltlinie miteinander verwoben sind.
Labyrinth/Bürstendichtungskombination nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Borsten (38) in einem Winkel von etwa 45° zur Vertikalen orientiert sind.
Labyrinth/Bürstendichtungskombination nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anordnung von diskreten Borsten eng benachbart zu einem der mehreren axial im Abstand angeord neten, in Umfangsrichtung und radial verlaufenden Dichtungszähne (94) auf einer stromaufwärtigen Seite von ihnen liegt.
Labyrinth/Bürstendichtungskombination nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schlitz (30) im wesentlichen T-förmig ist und einen Schaft und einen Querabschnitt aufweist, wobei das flexible Trägerband in dem Querabschnitt liegt.
Drehmaschine enthaltend: eine drehbare Komponente (10), eine feststehende Komponente (12), die die drehbare Komponente umgibt, wobei die Komponenten um eine gemeinsame Achse liegen, eine Labyrinthdichtung zwischen den feststehenden und drehbaren Komponenten, die mehrere Dichtungssegmente (32) aufweist, die jeweils mehrere axial im Abstand angeordnete, in Umfangsrichtung verlaufende Zähne (34) enthalten, die radial in Richtung auf die drehbare Komponente vorstehen, wobei jedes Labyrinthdichtungssegement wenigstens eine Bürstendichtung enthält, die eine Anordnung von diskreten Borsten (38) aufweist, die von der feststehenden Komponente getragen sind für eine Anordnung axial neben wenigstens einem (34) der Zähne, wobei die diskreten Borsten in einem ersten langgestreckten, flexiblen, verformbaren Trägerband (44) angebracht sind und wobei das Band in einem bogenförmigen Schlitz (30), der in dem Segment ausgebildet ist, verschiebbar aufgenommen ist, wodurch sich die Bürstendichtung an die Krümmung des Segmentes anpasst.
Drehmaschine nach Anspruch 7, wobei wenigstens eine Bürstendichtung nahe der Mitte entlang einer axialen Ausdehnung der Segmente liegt und wobei ein benachbarter Labyrinthzahn (34) eine seitliche Stütze für die wenigstens eine Bürstendichtung bildet.
Drehmaschine nach Anspruch 8, wobei das Trägerband (44) rostfreien Stahl aufweist.
Drehmaschine nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Borsten um das erste flexible Trägerband (42) gefaltet und durch ein zweites flexibles Band (44) in ihrer Lage gehalten sind, das um das andere flexible Trägerband gebogen ist.