DE69928332T2

DE69928332T2 - Bürstendichtungssegment

Info

Publication number: DE69928332T2
Application number: DE69928332T
Authority: DE
Inventors: Norman Arnold Cobleskill Turnquist; Osman Saim Troy Dinc; George Ernest Schenectady Reluzco; Robert Harold Cromer; David Robert Pattersonville Skinner; Christopher Edward Niskayuna Wolfe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-08-10
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: TW455656B; KR20000016884A; EP0979963B1; US6105966A; JP2000154874A; DE69928332D1; EP0979963A2; EP0979963A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Dichtungen, und insbesondere ein Bürstendichtungssegment.
Rotierende Maschinen enthalten, ohne darauf beschränken zu wollen, im Falle von Dampfturbinen Turbinen und im Falle von Gasturbinen Verdichter und Turbinen. Eine Dampfturbine weist einen Dampfstrompfad auf, der in einer in Reihe geschalteten Strömungsbeziehung gewöhnlich einen Dampfeinlass, eine Turbine und einen Dampfauslass umfasst. Eine Gasturbine weist einen Gaspfad auf, der gewöhnlich in einer in Reihe geschalteten Strömungsbeziehung eine Luftansaugöffnung (oder Einlass), einen Verdichter, eine Brennkammer, eine Turbine und einen Gasauslass (oder Austrittsdüse) umfasst. Ein entweder aus dem Gas- oder Dampfstrompfad heraus oder in den Gas- oder Dampfstrompfad hinein verlaufender Gas- oder Dampfleckstrom von einem Bereich höheren Drucks hin zu einem Bereich niedrigeren Drucks ist im Allgemeinen unerwünscht. Ein zwischen dem Rotor der Turbine oder des Verdichters und dem den Umfang umgebenden Turbinen- oder Verdichtergehäuse auftretender Gaspfadleckstrom in dem Turbinen- oder Verdichterbereich einer Gasturbine wird beispielsweise den Wirkungsgrad der Gasturbine vermindern, was zu erhöhten Brennstoffkosten führt. Auch ein Dampfleckstrompfad in dem Turbinenbereich einer Dampfturbine zwischen dem Rotor der Turbine und dem den Umfang umgebenden Gehäuse wird den Wirkungsgrad der Dampfturbine mit der Folge höherer Brennstoffkosten senken.
Es wurde vorgeschlagen, in Gas und Dampfturbinen ringförmige Bürstendichtungen zwischen einem Rotor und einem umgebenden Gehäuse zu verwenden. Zu der ringförmigen Bürs tendichtung gehören eine ringförmige Stützplatte, die möglicherweise in der Gestalt eines ringförmigen Labyrinthdichtungszahns endet, der eine schräge stromabwärts weisende Fläche aufweist, und ferner Borsten, die gewöhnlich unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad schräg relativ zu einer Radiuslinie verlaufen. Eine Bürstendichtung einer Gas- oder Dampfturbine basiert auf um den Umfang herum angeordneten und radial gestutzen Bürstendichtungssegmenten. Die abgewinkelten Borsten schaffen an einem Umfangsrand jedes Segments einen exponierten Bereich. Der Labyrinthdichtungszahn reduziert einen durch diesen exponierten Bereich verlaufenden Leckstrom. Beispiele solcher Bürstendichtungen sind in den US-Patenten US-A-5 749 584 und US-A-5 401 036 beschrieben. Die Erfinder haben entdeckt, dass der radiale Kontakt des Labyrinthdichtungszahns mit dem Rotor während des Hochfahrens den ringförmigen Zahn ungünstigerweise zu großen in Umfangsrichtung angeordneten Bereichen von Borsten verformte, die eine Erholung dieser Borsten verhinderten wenn der Rotor der Dauerbetriebsbedingungen erreichte. Die nicht erholten Borsten ließen einen großen Leckstrom zu.
Das Bürstendichtungssegment der Erfindung enthält eine Bürstendichtungsstützplatte und Bürstendichtungsborsten. Die Stützplatte weist im Wesentlichen die Gestalt eines ringförmigen Segments eines kreisförmigen Rings mit einer Längsachse auf. Die Stützplatte weist im Wesentlichen stromaufwärts weisende und stromabwärts weisende Flächen auf, wobei die stromaufwärts weisende Fläche im Wesentlichen senkrecht zu der Achse ausgerichtet ist. Die Stützplatte weist im Wesentlichen in Radialrichtung ausgerichtete erste und zweite Ränder auf, die in Umfangsrichtung die stromaufwärts weisende mit der stromabwärts weisenden Flä che verbinden. Die Stützplatte weist einen Rand auf, der die stromaufwärts weisende mit der stromabwärts weisenden Fläche radial innen verbindet, wobei der Rand erste und zweite Bereiche aufweist, wobei sich der erste Abschnitt in Umfangsrichtung von der ersten Kante zu dem zweiten Abschnitt erstreckt, der zweite Abschnitt in der Nähe der zweiten Kante angeordnet ist, und der zweite Abschnitt sich in radialer Richtung weiter nach innen erstreckt als der erste Abschnitt. Die Borsten stützen sich im Wesentliche an der stromaufwärts weisenden Fläche ab und verlaufen jeweils unter einem im Wesentlichen identischen Winkel schräg in Bezug auf eine entsprechende Radiuslinie, die sich nach außen zu jeder der Borsten erstreckt. Die Borsten sind in Umfangsrichtung im Wesentlichen vollständig zwischen einer Radiuslinie, die nach außen zu der ersten Kante verläuft, und einer Radiuslinie, die zu der zweiten Kante nach außen verläuft, untergebracht, und die Borsten ragen nach innen über den Rand hinweg von im Wesentlichen lediglich dem ersten Abschnitt des Randes vor.
Einige nützliche und vorteilhafte Eigenschaften leiten sich aus der Erfindung ab. Lediglich der kleine zweite Abschnitt des Randes wird verformt, wenn das Bürstendichtungssegment ein vorübergehendes Anlaufen des Rotors erfährt. Da wegen des Borstenwinkels im Wesentlichen keine Borsten von dem zweiten Abschnitt des Randes vorragen, wird der verformte Rand die Borsten auch dann im Wesentlichen nicht beeinträchtigen, falls sich der Rand in Längsrichtung in Richtung der stromaufwärts weisenden Fläche der Stützplatte verformt, und die Borsten können sich daher von einem Anlaufen des Rotors erholen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben:
1 zeigt in einer schematischen stromaufwärts weisenden Ansicht ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Bürstendichtungssegments der Erfindung, das in Umfangsrichtung mit weiteren identischen Bürstendichtungssegmenten ausgestattet ist, die angeordnet sind, um eine Bürstendichtung zu definieren;
2 zeigt eine Schnittansicht längs der Schnittlinien 2-2 nach 1; und
3 zeigt eine Schnittansicht längs der Schnittlinien 3-3 nach 1.
Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen die 1-3 schematisch ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Bürstendichtungssegments 110 der vorliegenden Erfindung zusammen mit fünf weiteren identischen Bürstendichtungssegmenten 112, 114, 116, 118 und 120, die sämtliche in Umfangsrichtung angeordnet sind, um eine ringförmige Bürstendichtung 122 zu definieren. Vorzugsweise ist die ringförmige Bürstendichtung 122 für den Einsatz in einer (in den Zeichnungen nicht gezeigten) rotierenden Maschine bestimmt, wobei die Bürstendichtung in dem ringförmigen Spalt zwischen einem Rotor und einem die rotierende Maschine umgebenden Gehäuse angeordnet ist, und wobei die Bürstendichtung an dem Gehäuse angebracht ist. Bevorzugte rotierende Maschinen sind Dampfturbinen oder Gasturbinen.
Das Bürstendichtungssegment 110 enthält eine Bürstendichtungsgrundplatte 124. Wie aus 1 zu entnehmen, weist die Stützplatte 124 im Wesentlichen die Gestalt eines ringförmigen Segments eines kreisförmigen Rings (wie die Bürstendichtung 112) mit einer (in 1 vom Ende her als ein Punkt dargestellten und in den 2 und 3 als eine gestrichelte Linie gezeichneten) Längsachse 126 auf. Die Stützplatte 124 weist im Wesentlichen stromaufwärts weisende und stromabwärts weisende Flächen 128 und 130 auf, wobei die stromaufwärts weisende Fläche 128 im Wesentlichen senkrecht zu der Achse 126 ausgerichtet ist. Zum Zweck der Beschreibung der Erfindung ist eine stromaufwärts weisende Fläche als eine Fläche definiert, die im Wesentlichen der Hochdruckseite 132 zugewandt und der Niederdruckseite 134 des Dichtungssegments 110 abgewandt ist, und eine stromabwärts weisende Fläche als eine Fläche definiert, die im Wesentlichen der Niederdruckseite 134 zugewandt und der Hochdruckseite 132 des Dichtungssegments 110 abgewandt ist. Die Stützplatte 124 weist im Wesentlichen in Radialrichtung ausgerichtete erste und zweite Ränder 136 und 138 auf, die die stromaufwärts weisende und stromabwärts weisende Fläche 128 und 130 in Umfangsrichtung verbinden (d. h. aneinander befestigen).
Die Stützplatte 124 weist ferner einen Rand 140 auf, der die stromaufwärts weisende und stromabwärts weisende Fläche 128 und 130 radial innen verbindet (d. h. aneinander befestigt). Der Rand 140 erstreckt sich in Umfangsrichtung der ersten Kante 136 zu der zweiten Kante 138. Der Rand 140 weist einen ersten und zweiten Bereich 142 und 144 auf. Der erste Abschnitt 142 des Randes 140 erstreckt sich in Umfangsrichtung von der ersten Kante 136 zu dem zweiten Abschnitt 144. Der zweite Abschnitt 144 ist unmittelbar be nachbart zu der zweiten Kante 138 angeordnet, und der zweite Abschnitt 144 erstreckt sich in radialer Richtung weiter nach innen als der erste Abschnitt 142.
Vorzugsweise weist der zweite Abschnitt 144 des Randes 140 der Stützplatte 124 eine Gestalt eines Labyrinthdichtungszahns 146 auf, wenn die Stützplatte 124 in einem ersten Querschnitt (siehe 2) betrachtet wird, der durch eine Schnittebene gebildet ist, die durch den Schnittpunkt der Achse und eine Radiuslinie definiert ist, die (von der Achse 126 ausgehend) radial nach außen zu dem zweiten Abschnitt 144 verläuft. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass der erste Abschnitt 142 des Randes 140 der Stützplatte 124 eine andere Gestalt als die eines Labyrinthdichtungszahns 146 aufweist, wenn die Stützplatte 124 in einem zweiten Querschnitt (siehe 3) betrachtet wird, der durch eine Schnittebene gebildet ist, die durch den Schnittpunkt der Achse 126 und eine (von der Achse 126 ausgehenden) Radiuslinie definiert ist, die radial nach außen zu dem ersten Abschnitt 142 verläuft. In einer exemplarischen Verwirklichung weist der erste Abschnitt 142 des Randes 140 der Stützplatte 124 die Gestalt einer Linie 148 auf, die zu der Achse 126 im Wesentlichen parallel verläuft, wenn die Stützplatte 124 in der zweiten Querschnittsansicht (siehe 3) betrachtet wird.
Das Bürstendichtungssegment 110 enthält ferner Bürstendichtungsborsten 150, die sich im Wesentlichen an der stromaufwärts weisenden Fläche 128 der Stützplatte 124 abstützen. Die Borsten 150 verlaufen in Bezug auf eine entsprechende Radiuslinie, die sich (von der Achse 126 ausgehend) zu sämtlichen Borsten 150 nach außen erstreckt, jeweils schräg unter einem im Wesentlichen identischen Win kel. Vorzugsweise beträgt der Winkel der Borsten 150 im Wesentlichen fünfundvierzig Grad. Die Borsten 150 sind in Umfangsrichtung im Wesentlichen vollständig zwischen einer Radiuslinie, die (von der Achse 126 ausgehend) nach außen zu der ersten Kante 136 verläuft, und einer Radiuslinie, die (von der Achse 126 ausgehend) zu der zweiten Kante 138 nach außen verläuft, untergebracht. Daher wird das Bürstendichtungssegment 110 einschließlich seiner unmittelbar vorausgehend beschriebenen Borsten 150 und seiner davor beschriebenen Stützplatte 124 als in radialer Richtung gestutzt bezeichnet. Die Borsten 150 ragen nach innen über den Rand 140 hinweg von im Wesentlichen lediglich dem ersten Abschnitt 142 des Randes 140 vor. Es ragen daher wegen des Borstenwinkels im Wesentlichen keine Borsten 150 von dem zweiten Abschnitt 144 des Randes 140 vor.
Wie für den Fachmann einsichtig, bietet das Bürstendichtungssegment 110 der vorliegenden Erfindung Vorteile. Es wird sich lediglich der kleine zweite Abschnitt 144 des Randes 140 verformen, wenn der Rotor vorübergehend an dem Bürstendichtungssegment 110 anläuft. Da wegen des Borstenwinkels im Wesentlichen keine Borsten 150 von dem zweiten Abschnitt 144 des Rands 140 vorragen, wird der verformte Rand im Wesentlichen die Borsten 150 auch dann nicht beeinträchtigen, wenn sich der Rand 140 in Längsrichtung in Richtung der stromaufwärts weisenden Fläche 128 der Stützplatte 124 verformt, und die Borsten sind somit in der Lage, sich von einem Anlaufen (Reiben) des Rotors zu erholen.
In einer typischen Konstruktion ist die Stützplatte 124 einschließlich des Randes 140 eine einstückige Konstruktion und ist im Wesentlichen aus Metall oder einer Metalllegierung gefertigt, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, aus einem rostfreien Stahl. Die Borsten 150 basieren gewöhnlich im Wesentlichen auf Metalldraht- oder Keramikdrahtborsten, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, auf Drahtborsten aus kobaltbasierten Legierungen. Vorzugsweise sind die Metalldrahtborsten 150 an der Stützplatte 124 durch Schweißen befestigt (wobei eine derartige Schweißverbindung in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist).
Im Allgemeinen enthält das Bürstendichtungssegment 110 ferner, wie dem Fachmann bekannt ist, eine stromaufwärts angeordnete Platte 152.

Claims

Bürstendichtungssegment (110) a) mit einer Bürstendichtungsstützplatte (124), die eine Gestalt eines Ringsegmentes eines Kreisringes aufweist, wobei der Ring eine Längsachse (126) aufweist, wobei die Stützplatte eine im Wesentlichen stromaufwärts weisende (128) und eine im Wesentlichen stromabwärts weisende Fläche (130) aufweist, wobei die stromaufwärts weisende Fläche im Wesentlichen senkrecht zu der Achse ausgerichtet ist, wobei die Stützplatte eine erste (136) und eine zweite Kante (138) aufweist, die im Wesentlichen in Radialrichtung ausgerichtet sind und die stromaufwärts weisende mit der stromabwärts weisenden Fläche in Umfangsrichtung verbinden, wobei die Stützplatte einen Rand (140) aufweist, der die stromaufwärts weisende mit der stromabwärts weisenden Fläche radial innen verbindet, und b) mit Bürstendichtungsborsten (150), die sich im Wesentlichen an der stromaufwärts weisenden Fläche abstützten, wobei die Borsten jeweils unter einem im Wesentlichen identischen Winkel in Bezug auf eine entsprechende Radiuslinie, die sich nach außen zu jeder der Borsten erstreckt, schräg verlaufen, wobei die Borsten in Umfangsrichtung im Wesentlichen vollständig zwischen einer Radiuslinie, die nach außen zu der ersten Kante (136) verläuft, und einer Radiuslinie, die zu der zweiten Kante (138) nach außen verläuft, untergebracht sind und wobei die Borsten nach innen über den Rand hinweg von im Wesentlichen lediglich dem ersten Abschnitdes Randes vorragen Abschnitt des Randes vorragen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand einen ersten (142) und einen zweiten (144) Abschnitt aufweist, wobei sich der erste Abschnitt (142) in Umfangsrichtung von der ersten Kante zu dem zweiten Abschnitt (144) erstreckt und der zweite Abschnitt lediglich in der Nähe der zweiten Kante angeordnet ist, wobei der zweite Abschnitt radial nach innen weiter als der erste Abschnitt vorragt.
Bürstendichtungssegment (110) nach Anspruch 1, wobei der zweite Abschnitt (144) des Randes (140) der Stützplatte (124) eine Gestalt eines Labyrinthdichtungszahns (146) aufweist, wenn die Stützplatte in einem ersten Querschnitt betrachtet wird, der durch eine Schnittebene gebildet ist, die durch den Schnittpunkt der Achse (126) und eine Radiuslinie definiert ist, die radial nach außen zu dem zweiten Abschnitt verläuft.
Bürstendichtungssegment (110) nach Anspruch 2, wobei der erste Abschnitt (142) des Randes (140) der Stützplatte (124) eine andere Gestalt als die eines Labyrinthdichtungszahns (146) aufweist, wenn die Stützplatte in einem zweiten Querschnitt betrachtet wird, der durch eine Schnittebene gebildet ist, die durch den Schnittpunkt der Achse (126) und eine Radiuslinie definiert, die radial nach außen zu dem ersten Abschnitt verläuft.
Bürstendichtungssegment (110) nach Anspruch 3, wobei der erste Abschnitt (142) des Randes (140) der Stütz platte (124) die Gestalt einer Linie (148) aufweist, die im Wesentlichen parallel zu der Achse (126) verläuft, wenn die Stützplatte in der zweiten Querschnittsansicht betrachtet wird.
Bürstendichtungssegment (110) nach Anspruch 1, wobei der Winkel der Borsten (150) im Wesentlichen fünfundvierzig Grad beträgt.
Bürstendichtungssegment (110) nach Anspruch 1, wobei der zweite Abschnitt (144) des Randes unter der Wirkung einer Radialkraft in Längsrichtung von der stromaufwärts weisenden Fläche (128) weg verformbar ist.
Bürstendichtungssegment (110) nach Anspruch 6, wobei der zweite Abschnitt (144) des Randes (140) eine Gestalt eines Labyrinthdichtungszahns (146) aufweist, wenn die Stützplatte (124) in einem Querschnitt betrachtet wird, der durch eine Schnittebene gebildet ist, die durch den Schnittpunkt der Achse (126) und eine Radiuslinie definiert ist, die radial nach außen zu dem Rand verläuft.
Bürstendichtungssegment (110) nach Anspruch 7, wobei der Zahn eine Spitze (154) aufweist, die, betrachtet in dem Querschnittsansicht, im Wesentlichen parallel zu der Achse (126) ausgerichtet ist, wobei der Zahn eine erste Fläche (156) aufweist, die im Wesentlichen radial nach außen von der Spitze zu der stromabwärts weisenden Fläche (130) der Stützplatte (124) verläuft, und wobei der Zahn eine zweite Fläche (158) aufweist, die im Wesentlichen radial nach außen und in Längsrichtung stromaufwärts von der Spitze zu der stromauf wärts weisenden Fläche (128) der Stützplatte verläuft.
Bürstendichtungssegment (110) nach Anspruch 8, wobei die zweite Fläche (158), in der Querschnittsansicht betrachtet, die Gestalt einer geraden Linie aufweist.
Bürstendichtungssegment (110) nach Anspruch 1, wobei das Bürstendichtungssegment ferner eine stromaufwärts angeordnete Bürstendichtungsplatte (152) aufweist, wobei die Bürstendichtungsborsten (150) zwischen der Bürstendichtungsstützplatte (124) und der stromaufwärts liegenden Bürstendichtungsplatte angeordnet sind.
Bürstendichtungssegment (110) nach Anspruch 10, wobei der Rand (140) eine Gestalt eines Labyrinthdichtungszahns (146) aufweist, wenn die Stützplatte (124) in einer Querschnittsansicht betrachtet wird, die durch eine Schnittebene gebildet ist, die durch den Schnittpunkt der Achse (126) und eine Radiuslinie festgelegt ist, die sich radial nach außen zu dem Rand erstreckt.
Bürstendichtungssegment (110) nach Anspruch 11, wobei der Zahn (146) eine Spitze aufweist, die, betrachtet in der Querschnittsansicht, im Wesentlichen parallel zu der Achse (126) ausgerichtet ist, wobei der Zahn eine erste Fläche (156) aufweist, die im Wesentlichen radial nach außen von der Spitze zu der stromabwärts weisenden Fläche der Stützplatte verläuft, und wobei der Zahn eine zweite Fläche (158) aufweist, die im Wesentlichen radial nach außen und in Längsrichtung stromaufwärts von der Spitze zu der stromaufwärts weisenden Fläche (130) der Stützplatte 124 verläuft.
Bürstendichtungssegment (110) nach Anspruch 12, wobei die zweite Fläche (158), betrachtet in der Querschnittsansicht, eine Gestalt einer geraden Linie aufweist.