DE69928308T2

DE69928308T2 - Überdruckbetriebene Bürstendichtung

Info

Publication number: DE69928308T2
Application number: DE69928308T
Authority: DE
Inventors: Robert Harold Johnstown Cromer; Norman Arnold Cobleskill Turnquist; Bharat Sampathkumar Niskayuna Bagepalli; Christopher Edward Niskayuna Wolfe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: DE69928308D1; KR19990078230A; KR100606296B1; JPH11311335A; US6139018A; EP0945654A2; EP0945654A3; EP0945654B1

Description

Die Erfindung betrifft Bürstendichtungen für rotierende Maschinen, beispielsweise für Dampf- und Gasturbinen, und betrifft insbesondere eine mittels Druck aktivierte Bürstendichtung für den Einsatz in rotierenden Maschinen.
Rotierende Maschinen, wie Dampf- und Gasturbinen, die für die Stromerzeugung in mechanischen Antriebsanwendungen verwendet werden, sind im Allgemeinen große Maschinen, die mehreren Turbinenstufen enthalten. In Turbinen muss ein durch die Turbinenstufen strömendes Hochdruckfluid eine Reihe von stationären und rotierenden Komponenten passieren, und Dichtungen zwischen den stationären und rotierenden Komponenten werden verwendet, um Leckstrom zu minimieren. Der Wirkungsgrad der Turbine hängt unmittelbar von der Fähigkeit der Dichtungen ab, einen Leckstrom, z.B. zwischen dem Rotor und dem Stator, zu verhindern. Gewöhnlich werden in diesen Konstruktionen Dichtungen der Labyrinthbauart verwendet. Eine Labyrinthdichtung weist üblicherweise eine Anzahl axial beabstandeter Dichtungszähne auf, die benachbart zu der Rotationskomponente in einer keilförmig zulaufenden Spitze enden, wobei zwischen auf gegenüberliegenden axialen Seiten der Dichtung vorhandenen Bereichen hohen und niedrigen Drucks ein gewundener weg und folglich eine effektive Dichtung geschaffen wird. Labyrinthdichtungen haben sich zwar als sehr zuverlässig erwiesen, allerdings verschlechtert sich deren Leistung über die Zeit hinweg aufgrund von Anfahrvorgängen, in denen die stationären und rotierenden Komponenten in Berührung kommen, wobei sie die Labyrinthzähne zu einem pilzförmigen Profil schleifen und den Dichtungsspielraum erweitern.
Eine weitere Bauart einer Dichtung, die in vielen Umgebungen eingesetzt wird, zu denen rotierende Maschinen gehören, ist eine Bürstendichtung. Bürstendichtungen sind im Wesentlichen für Leckstrom weniger anfällig als Labyrinthdichtungen. Die Bürstendichtung ist auch in der Lage, sich aufgrund der Nachgiebigkeit der Dichtungsborsten an relative radiale Bewegung zwischen feststehenden und rotierenden Komponenten, beispielsweise zwischen einem Rotor und einem Stator, anzupassen. Bürstendichtungen sind im Allgemeinen außerdem in der Lage, sich besser an Oberflächenunebenheiten anzupassen. Mittels Bürstendichtungen lässt sich die Leistung von sich drehenden Maschinen besser aufrecht erhalten, als es im Allgemeinen bei alleinigem Einsatz von Labyrinthdichtungen möglich ist. Beispiele bekannter Bürstendichtungen sind in GB-A-2 258 277 und EP-A-778 131 veranschaulicht.
Weiter wurde bisher eine Kombination von Labyrinth- und Bürstendichtungen vorgeschlagen. In diesen Dichtungen ist eine Bürstendichtung, d. h. eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung länglicher Borsten, entweder anstelle eines der Labyrinthzähne oder zusätzlich zu den Labyrinthzähnen in Kombination mit einer Labyrinthdichtung angeordnet. Die Labyrinth/Bürstendichtung-Kombination sorgt nicht nur für eine wirkungsvolle Dichtung, sondern stellt auch eine Sicherungsdichtung bereit, sollte eine der verschiedenen Arten von Dichtungen ausfallen. Es ist einsichtig, dass während Bürstendichtungen gewöhnlich die rotierende Komponente berühren, einschleifende und rotierende Ausschläge gelegentlich eine Toleranz zwischen den Spitzen der Borsten und der Rotationskomponente erweitern und folglich die Effizienz der Dichtung verringern.
Erfindungsgemäß ist eine Bürstendichtung geschaffen, zu der gehören: eine um eine Achse drehbare Rotationskomponente und eine stationären Komponente über der Achse; eine Anordnung länglicher Borsten, die von der stationären Komponente getragen sind und sich in Richtung auf die Rotationskomponente unter einem Winkel, der von den Radiuslinien der Rotationskomponente versetzt ist, in einer Rotationsrichtung der Rotationskomponente erstrecken; und eine Führungsplatte, die durch die stationäre Komponente auf einer axialen Seite der Borsten getragen ist und mehrere Kanäle aufweist, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Kanäle sich unter einem Winkel, der von den Radiuslinien der Rotationskomponente versetzt ist, und in einer zu der Rotationsrichtung der Rotationskomponente entgegengesetzten Richtung erstreckt, um ein unter Druck stehendes Fluid gegen die Borsten in einer derartigen Richtung strömen zu lassen, um die Borsten in Richtung auf die Rotationskomponente abzulenken.
Die Borsten können sich Seite an Seite sowohl in Axial- als auch in Umfangsrichtung um die Achse herum erstrecken, und mehrere Elemente in der Anordnung von Borsten können an in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Positionen über der Achse angeordnet sein und eine axiale Ausdehnung aufweisen, wobei die Elemente sich in Richtung auf die Rotationskomponente im Wesentlichen unter dem gleichen Winkelversatz erstrecken, unter dem die Borsten in Bezug auf die Radienlinien verlaufen, wobei die Elemente in Abhängigkeit von einem dagegen strömenden Fluidstrom in einer Umfangsrichtung bewegbar sind, um die Borsten in Richtung auf die Rotationskomponente abzulenken.
Die Bürstendichtung kann eine Anzahl von Führungen auf gegenüberliegenden axialen Seiten der Borsten enthalten, wobei jede Führung mehrere Kanäle aufweist, die in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Kanäle sich unter einem Winkel erstrecken, der gegenüber den Radienlinien der Rotationskomponente versetzt ist, und in einer zu der Rotationsrichtung der Rotationskomponente entgegengesetzten Richtung verlaufen, um unter Druck stehendes Fluid gegen die Borsten strömen zu lassen, um die Borsten in Richtung auf die Rotationskomponente abzulenken.
Die Borsten können sich Seite an Seite sowohl in Axial- als auch in Umfangsrichtung über der Achse erstrecken, und mehrere Elemente können in einer Anordnung von Bürsten an über der Achse in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Positionen angeordnet sein und eine axiale Ausdehnung haben, wobei die Elemente sich in Richtung auf die Rotationskomponente im Wesentlichen unter dem gleichen Winkelversatz erstrecken, unter dem die Bürsten in Bezug auf die Radienlinien verlaufen, wobei die Elemente in einer Umfangsrichtung in Abhängigkeit von einer dagegen wirkenden Fluidströmung bewegbar sind, um die Borsten in Richtung auf die Rotationskomponente abzulenken.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte mittels Druck aktivierte Bürstendichtung zum Abdichten zwischen drehenden und stationären Komponenten zu schaffen, wobei die Reihe von Bürstendichtungsborsten durch den zugeführten Fluiddruck in Richtung der Rotationskomponente positiv abgelenkt oder gebogen werden, um eine verbesserte Dichtung hervorzubringen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben:
1 zeigt eine fragmentarische Schnittansicht einer in einem Packungsringsegment einer stationären Komponente angeordneten Labyrinth/Bürstendichtung-Kombination, die gegen einen Rotor einer Turbine abdichtet;
2 zeigt in Draufsicht von der Seite das Bürstendichtungssegment, wobei Bereiche ausgebrochen sind, um deren vielfältige Einzelkomponenten zu veranschaulichen;
3 zeigt in einer fragmentarischen perspektivischen Ansicht die in 2 veranschaulichte Bürstendichtung; und
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer in der Bürstendichtung der Erfindung verwendeten Kombination von Borsten und einer Folie.
Zu den Zeichnungen wird insbesondere auf 1 eingegangen, in der eine Labyrinth/Bürstendichtung-Kombination veranschaulicht ist, die dazu dient, zwischen stationären und rotierenden Komponenten einer rotierenden Maschine, beispielsweise einer Turbine, eine Dichtung zu bilden. Wie zu sehen, ist die allgemein mit 10 bezeichnete Labyrinth/Bürstendichtung-Kombination in einer Schwalbenschwanznut 12 einer stationären Komponente 14 einer rotierenden Maschine angeordnet. Die Labyrinth/Bürstendichtung 10 bildet einen Teil eines Packungsringsegments S, das eine komplementäre Gestalt aufweist, die geeignet ist, um in der Nut 12 angeordnet zu werden, wobei Abdichtflansche 15 sich axial über die Halsöffnung 16 der Nut 12 hinaus erstrecken, und der Hals durch Hakenflansche 17 definiert ist. Es ist einsichtig, dass sich die Nut 12 um den Umfang der stationären Komponente 14 herum erstreckt, und dass die stationäre Komponente 14 sich um eine Rotationskomponente, beispielsweise um eine Welle 18, erstreckt, die um eine Achse drehbar ist. Jedes der um die Welle 18 angeordneten Packungsringsegmente S aus deren Vielzahl enthält mehrere im Wesentlichen radial sich nach innen erstreckende, kegelig zulaufende Zähne 22, die dazu vorgesehen sind, in unmittelbarer Nähe, jedoch beabstandet von auf der Drehwelle vorgesehenen Stegen 24 angeordnet zu werden, um zwischen den stationären Packungsringsegmenten S und dem Rotor 18 eine Labyrinthdichtung zu bilden.
In jedem Packungsringsegment S ist außerdem eine Bürstendichtung vorgesehen, die eine in Umfangsrichtung verlaufende Reihe von Borsten 26 aufweist, die sich zwischen einem Paar stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Führungsplatten 28 bzw. 30 erstrecken. Die Spitzen 25 der Bürstendichtungsborsten 26 stehen mit der Oberfläche des Rotors 18 in Berührung, wobei sie zusammen mit diesem eine Bürstendichtung bilden. Die Bürstendichtung ist in einer Nut untergebracht, die sich um den Umfang jedes Packungsringsegments erstreckt. Es ist einsichtig, dass die Borsten in der Bürstendichtung entlang dem oberen Abschnitt der Nut, in der die Bürstendichtung sitzt, befestigt werden können, an einen darüberliegenden Streifen geschweißt sein können, der einen Abschnitt der Bürstendichtung bildet und ebenfalls in der Nut aufgenommen wird, oder distal gegenüber den Borstenspitzen an deren gemeinsamen Enden aneinander geschweißt sein können, so dass die Borsten an deren radial äußersten Enden freischwebend aufgehängt sind.
In einer speziellen Form einer kombinierten Labyrinth/Bürstendichtung, lässt sich das Packungsringsegment radial nach innen in Richtung des Rotors und radial nach außen weg von dem Rotor bewegen. Beispielsweise kann das Packungsringsegment mit nicht gezeigten Federn ausgestattet sein, die zwischen den axial entgegengesetzten Flanschen des Packungsringsegments S und den Hakenflanschen 17 der Nut 12 angeordnet sind, wobei sie das Packungsringsegment für eine radial nach außen gerichtete Bewegung vorspannen. Unter Druck stehendes Fluid kann über einen Durchlass 31 in die Nut 12 eingeführt werden, um das Packungsringsegment, beispielsweise während Dauerbetriebsbedingungen radial nach innen zu verschieben, so dass die Borstenspitzen mit der Rotoroberfläche in Berührung kommen, wobei die kombinierte Labyrinth/Bürstendichtung dazu dient, zwischen an gegenüberliegenden axialen Seiten der Dichtung vorhandenen Bereichen hohen und niedrigen Drucks 32 bzw. 34 abzudichten.
Mit Bezugnahme auf 2 sind die Bürstendichtungsborsten 26 in einer in Umfangsrichtung verlaufenden Reihe davon angeordnet, wobei die Borsten sowohl in Umfangsrichtung als auch in den axialen Richtungen C bzw. A, wie durch die Pfeile angedeutet, Seite an Seite gegenüberliegend angeordnet sind. D. h. die Vielzahl von Borsten sind, wie am besten in 3 und 4 veranschaulicht, Seite an Seite gegenüberliegend angeordnet, und konsequenterweise erstreckt sich eine Anzahl Seite an Seite gegenüberliegender solcher Borsten sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung, wodurch für einen Fluidstrom zwischen Bereichen hohen und niedrigen Drucks der Dichtung zwischen den Borsten ein ver wundener Weg geschaffen wird. Wie in 2 zu sehen, sind die Borsten relativ zu Radiuslinien R der Rotationskomponente unter einem Neigungswinkel α angeordnet. D. h. an jeder Umfangsposition, wo die Rotationskomponente eine Radius R aufweist, erstrecken sich die Borsten unter einem von den Radiuslinien R der Rotationskomponente versetzten Winkel α und, wie durch den Pfeil 40 in 2 angedeutet, in der Rotationsrichtung der Rotationskomponente. Die Borsten 26 befinden sich vorzugsweise zwischen dem Paar Führungsplatten 28 und 30, obwohl es als Vorteil angesehen werden wird, dass lediglich eine derartige Führungsplatte erforderlich ist, und diese auf der stromabwärts angeordneten Seite der Borsten positioniert ist. Jede der Führungsplatten ist in der Nut des Packungsringsegments angeordnet und erstreckt sich radial nach innen, um kurz vor dem Rotor 18 zu enden. Auf der stromaufwärts angeordneten Seite erstreckt sich die Führungsplatte 28 knapp bis zu der Rotoroberfläche, während die stromabwärts gelegene Verstärkungs- oder Führungsplatte 30 einen radial nach innen gerichteten kegelig zulaufenden Zahn 42 bildet, der den kegelig zulaufenden Zähnen 22 der Labyrinthdichtung ähnelt. Auf diese Weise bildet der Zahn 42 nicht nur eine Stützplatte auf der Niederdruckseite der Borsten, sondern auch einen Teil der Labyrinthdichtung.
Wie in 3 zu sehen, sind eine oder beide Platten 28 und 30 mit einer Anzahl Fluidströmungskanälen 44 ausgebildet. Die Kanäle 44 öffnen sich gegen die Borsten 26 und enden an deren radialen innenliegenden Enden kurze vor den radial am weitesten innen angeordneten Rändern der Führungsplatten. An jeder Umfangsposition davon erstreckt sich jeder Kanal 44 entlang der Innenstirnflächen der Stützplatten 28 und 30 unter einem Winkel β in Bezug auf einen Radi us R an jenem Ort, und der Kanal 44 erstreckt sich in eine gegenüber der Rotationsrichtung des Rotors 18 entgegengesetzte Richtung. D. h. der Borstenwinkel α und der Kanalwinkel β befinden sich an jeder Umfangsposition an entgegengesetzten Seiten des Radius. Jedem der Kanäle 44 wird ein unter Druck stehendes Fluid zugeführt. Beispielsweise kann jeder der Kanäle 44, wie in 1 veranschaulicht, einen Durchlasskanal 48 aufweisen, der in der Nut 12 vorhandenes unter Druck stehendes Fluid in den Kanal 44 leitet. Folglich strömt unter Druck stehendes Fluid durch die Durchlasskanäle 48 in die Kanäle 44 und gegen die zwischen den Stützplatten 28 und 30 angeordneten Borsten. Dadurch dass unter Druck stehendes Fluid durch die Kanäle 44 und auf die Borsten 26 strömt, neigt das Fluid dazu, die Borsten in Richtung der Rotationskomponente abzulenken oder zu biegen. D. h. das unter Druck stehende Fluid lenkt die Borsten so ab, dass die Spitzen der Borsten stärker gegen die Oberfläche des Rotors 18 gedrückt werden, um gegen diesen die Dichtung aufrecht zu erhalten.
Unter Bezugnahme auf 3 und 4, und um die Biegung oder Ablenkung der freischwebenden Borsten zu fördern, sind mehrere Folien oder "Segel" zwischen die Borsten 26 in deren in Umfangsrichtung angeordnete Reihe eingefügt. Auf diese Weise sind die Folien 50, wie am besten in 3 veranschaulicht, zwischen Gruppen von Borsten 52 an in Umfangsrichtung beabstandeten Orten um die in Umfangsrichtung verlaufende Reihe von Borsten 26 positioniert und darin in ähnlicher Weise befestigt wie die Borsten selbst. Die Folien 50 erstrecken sich zwischen den Innenflächen der Führungsplatten 28 und 30 und erstrecken sich folglich über die gesamte axiale Ausbreitung der Borsten 26. Die Folien 50 sind ebenfalls unter dem gleichen Winkel α angeordnet wie die Borsten 26. Alternativ können die Folien kürzer als die Borsten geschnitten sein, um den Rotorverschleiß oder die Berührungsdynamik nicht ungünstig zu beeinflussen. Die Borsten sind aus einem elastischen Material gefertigt. Das unter Druck stehende Fluid drückt folglich, wenn dieses entlang der Kanäle 44 in die Reihe von Borsten eindringt, gegen die freischwebenden Folien, wodurch die radial inneren Bereiche der Folien geneigt sind, sich in Richtung des Rotors 18 und in eine gegenüber der Rotationsrichtung des Rotors entgegengesetzte Richtung zu biegen. Dies bewirkt, dass die Borsten in Richtung des Rotors abgelenkt oder gebogen werden, und die Borstenspitzen 25 gegen die Rotoroberfläche in Anlage kommen.
Es wurde beobachtet, dass Bürstendichtungen, die in einem Fluidsystem zwischen Bereichen hohen und niedrigen Drucks abdichten, aufgrund eines Fluidstroms zwischen den Bereichen hohen und niedrigen Drucks eine natürliche Neigung aufweisen, in Richtung der Rotationskomponente, gegen die die Borsten abdichten, nach unten zu drücken. Das vorliegende System verstärkt daher jede derartige beobachtete Tendenz.

Claims

Bürstendichtung (10) mit einer um eine Achse drehbaren Rotationskomponente (18) und einer stationären Komponente (14) über der Achse; mit einer Anordnung länglicher Borsten (26), die von der stationären Komponente (14) getragen sind und sich in Richtung auf die Rotationskomponente (18) unter einem Winkel, der von den Radiuslinien der Rotationskomponente (18) versetzt ist, in einer Rotationsrichtung der Rotationskomponente (18) erstrecken; und mit einer Führungsplatte (28, 30), die durch die stationäre Komponente (14) auf einer axialen Seite der Borsten (26) getragen ist und mehrere Kanäle (44) aufweist, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Kanäle (44) sich unter einem Winkel, der von den Radiuslinien der Rotationskomponente (18) versetzt ist und in einer zu der Rotationsrichtung der Rotationskomponente (18) entgegengesetzten Richtung erstreckt, um ein unter Druck stehendes Fluid gegen die Borsten (26) in einer derartigen Richtung strömen zu lassen, um die Borsten (26) in Richtung auf die Rotationskomponente (18) abzulenken.
Bürstendichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Borsten (26) sich Seite an Seite sowohl in Axial- als auch in Umfangsrichtung um die Achse herum erstrecken und mehrere Elemente (50) in der Anordnung von Borsten (26) an in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Positionen über der Achse angeordnet sind und eine axiale Ausdehnung aufweisen, wobei die Elemente (50) sich in Richtung auf die Rotationskomponente (18) im Wesentlichen unter dem gleichen Winkelversatz erstrecken, unter dem die Borsten (26) in Bezug auf die Radienlinien verlaufen, wobei die Elemente (50) in Abhängigkeit von einem dagegen strömenden Fluidstrom in einer Umfangsrichtung bewegbar sind, um die Borsten (26) in Richtung auf die Rotationskomponente abzulenken.
Bürstendichtung (10) nach Anspruch 1, die eine Anzahl von Führungen (28, 30) auf gegenüberliegenden axialen Seiten der Borsten (26) enthält, wobei jede Führung (28, 30) mehrere Kanäle (44) aufweist, die in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Kanäle (44) sich unter einem Winkel erstrecken, der gegenüber den Radienlinien der Rotationskomponente (18) versetzt ist, und in einer zu der Rotationsrichtung der Rotationskomponente entgegengesetzten Richtung verlaufen, um unter Druck stehendes Fluid gegen die Borsten strömen zu lassen, um die Borsten (26) in Richtung auf die Rotationskomponente (18) abzulenken.
Bürstendichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die Borsten (26) sich Seite an Seite sowohl in Axial- als auch in Umfangsrichtung über der Achse erstrecken und mehrere Elemente (50) in einer Anordnung von Bürsten (26) an über der Achse in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Positionen angeordnet sind und eine a xiale Ausdehnung haben, wobei die Elemente (50) sich in Richtung auf die Rotationskomponente (18) im Wesentlichen unter dem gleichen Winkelversatz erstrecken, unter dem die Bürsten (26) in Bezug auf die Radienlinien verlaufen, wobei die Elemente (50) in einer Umfangsrichtung in Abhängigkeit von einer dagegen wirkenden Fluidströmung bewegbar sind, um die Borsten (26) in Richtung auf die Rotationskomponente (18) abzulenken.