EP2006491A1 - Adaptive Labyrinthdichtung - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/001—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between stator blade and rotor
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
- F01D11/025—Seal clearance control; Floating assembly; Adaptation means to differential thermal dilatations
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- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
- F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
- F01D11/16—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2220/00—Application
- F05D2220/30—Application in turbines
- F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines
Definitions
- the present invention relates to a turbine, in particular a steam turbine, with a housing, with a rotatably mounted in the housing about a rotor axis rotor having a circumferentially extending, T-shaped groove, and having at least one seal between the housing and rotor, said the seal comprises a spring sealing strip accommodated in the groove of the rotor, which is radially elastically biased in the direction of the rotor axis and whose distance from the rotor axis increases with increasing speed.
- a turbine is known from the German patent application DE 28 16 084 A1 ,
- Turbomachinery must be sealed at locations of varying pressure to minimize leakage losses. In most cases, non-contact labyrinth seals are used. With regard to the thermal expansion, the centrifugal force expansion, the swinging of the rotor in the radial positions and when passing through critical speeds, the radial sealing clearance of the labyrinth seal must not be too small. A too small selected sealing gap inevitably leads to rubbing and thus damaging the labyrinth peaks and at worst to the curvature of the runner.
- resilient sealing segments are known, which can escape when rubbed in the rotor and thus can avoid greater damage.
- FIG. 1 a known labyrinth seal, which seals a rotating shaft 1 relative to a stationary housing 2.
- Shaft fixed are arranged a plurality of radially extending sealing strips 3, which are connected to the housing. 2 each establish a sealing gap 4.
- the width of the sealing gap 4 is constant.
- FIG. 2 shows how the rubbing of the sealing strip 3 on the housing 2 by means of resiliently mounted sealing segments 5 can be avoided.
- a plurality of T-shaped grooves 6 are provided in the housing, which extend in the circumferential direction around the shaft 1 around.
- the sealing segments 5 have a T-shaped anchor portion 7, with which they are held in the groove 6.
- Springs 8 bias the sealing segments 5 radially in the direction of the shaft. With an axial offset of the shaft 1, the sealing segments 5 deviate against the biasing force of the springs 8, so that there is no major damage to the seal at a sealing gap 4 of zero.
- the aforementioned DE 28 16 084 discloses a turbine designed as a jet engine with an adaptive labyrinth seal between rotor and housing.
- an adaptive labyrinth seal is a non-contact seal to understand the sealing gap is speed-dependent.
- the rotor is provided with a T-shaped groove, in which a spring sealing tape is added.
- the spring sealing strip is radially resiliently biased towards the rotor so that it radially expands as the rotational speed increases, as a result of which its distance from the rotor axis increases.
- the spring sealing tape comprises a sealing strip which projects radially out of the groove of the rotor and into a corresponding groove of the housing. The linear periphery of the sealing strips established with the flat groove bottom of the housing groove a sealing gap, which becomes narrower with increasing speed.
- a spring sealing strip which has an outwardly facing, extending in the circumferential direction sealing surface and established by the housing fixed arrangement of a sealing strip which projects radially into the groove of the rotor and established with the sealing surface of the spring sealing tape speed variable sealing gap.
- a basic idea of the present invention is thus to separate the sealing strip from the spring sealing strip and to arrange it fixed to the housing so that the sealing gap is formed between the sealing strip and the spring sealing strip. Since the sealing strip is now unmoved, its rigidity does not affect the stretching behavior of the feather seal tape. Thus, a comparatively stiff sealing strip can be combined with an elastic spring sealing strip made of a soft material. The assembly of the soft feather sealing tape is much easier.
- the feather seal tape consists of a flat strip having at its edges a plurality of protruding from the plane of the strip spring tabs. These are formed by the strip being cut transversely from the edge and then longitudinally. In this way one obtains an extremely easy to assemble and before all things inexpensive to produce feather seal tape. The area moment of inertia in bending direction is small.
- An inventive feather seal tape 9 shows FIG. 3 , It is a flat, strip-shaped strip made of metal or an elastomer, which is provided in its edge regions with a plurality of spring tabs 10.
- the spring tabs are formed by the fact that the flat strip is first cut transversely from the edge and then longitudinally. The spring tab 10 enclosed by the two cuts is then bent out of the plane of the strip so that a transverse, material-implemented spring joint 11 is formed opposite the transverse cut.
- FIG. 4 showed a turbine according to the invention with a housing 2 and a rotatably mounted in the housing 2 rotor 1.
- Fixed to the rotor are a plurality of blades 12; attached to the housing 2 are a plurality of stationary vanes 13; the blades 12 are to seal the housing 2 and the guide vanes 13 to the rotor.
- the labyrinth seals used for this purpose each comprise a T-shaped groove 6 arranged in the rotor, which groove extends around the rotor 1 in the circumferential direction. In the case of the Leitschaufelabdichtung it runs in the rotor shaft itself, in the case of the blade seal in the blade 12.
- T-shaped Grooved 6 is the in Fig.
- the spring tabs 10 have radially outward, so that they bias the spring sealing strip 9 radially elastic in the direction of the axis of rotation of the rotor 1.
- the spring tabs 10 are supported against the housing-side undercuts 14 of the grooves. When the rotor 1 is stationary, the spring tabs 10 press the spring sealing strip 9 radially in the direction of the rotor axis.
- the spring sealing strip 9 comprises mounted a radially outwardly facing, extending in the circumferential direction sealing surface 15 which is accessible from the outside in each case by the grooves 6.
- the sealing surface 15 thus extends between the undercuts 14.
- Housing fixed is arranged per spring sealing strip 9 with its sealing surface 15 corresponding sealing strip 3, which projects radially into the groove 6 of the rotor 1 and established with the sealing surface 15 a sealing gap.
- the sealing strips 3 correspond to those of conventional labyrinth seals as shown FIG. 1 ,
- the spring sealing tape presented here can be used in all labyrinth seals such as balancing pistons, the shrouds of the blades and under the guide vanes.
- the spring sealing strip 9 is pushed by a filling opening, not shown, in the T-shaped groove 6.
- the lateral spring tabs 10 on the left and on the right cause the spring sealing strip 9 to be held at the bottom groove bottom when the turbine is at a standstill. In this state, the radial sealing gap reaches its greatest value. Scrubbing during cooling in slewing gear operation is thereby prevented.
- the rotor 1 floats in the oil film of the radial bearing and after passing through the critical speeds with higher vibrations of the rotor 1 reaches the operating speed before its stable centric position to the housing 2. Also before reaching the rated speed, the centrifugal force on the Spring sealing strip 9 so large that the lateral spring tabs 10 are bent away and the tape comes to rest on the undercuts 14 of the T-groove 6. The sealing gap has now reached its predetermined minimum value, whereby the seal is closed.
- the turbine according to the invention realizes smaller sealing gaps, whereby the efficiency is improved.
- the risk of rubbing in critical operating conditions such. B. when starting and stopping or in critical speed ranges is minimized.
- the assembly of the spring sealing strip 9 is facilitated.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einem Gehäuse (2), mit einem im Gehäuse um eine Läuferachse rotierbar gelagertem Läufer (1), welcher eine sich in Umfangsrichtung erstreckende, T-förmige Nut (6) aufweist, und mit mindestens einer Dichtung zwischen Gehäuse (2) und Läufer (1), wobei die Dichtung ein in der Nut (6) des Läufers aufgenommenes Federdichtband (9) umfasst, welches in Richtung der Läuferachse radial elastisch vorgespannt ist und dessen Abstand zur Läuferachse mit steigender Drehzahl zunimmt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Turbine so weiter zu bilden, dass sich das Federdichtband einfacher montieren lässt und die Werkstoffwahl erleichtert wird. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Verwendung eines Federdichtbandes (9), welches eine nach außen gewandte, sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtfläche (15) aufweist und dadurch, dass die Dichtung mindestens einen gehäusefesten Dichtstreifen (3) umfasst, der radial in die Nut (6) des Läufers (1) hineinragt und mit der Dichtfläche (15) des Federdichtbandes (9) einen Dichtspalt etabliert.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einem Gehäuse, mit einem im Gehäuse um eine Läuferachse rotierbar gelagertem Läufer, welcher eine sich in Umfangsrichtung erstreckende, T-förmige Nut aufweist, und mit mindestens einer Dichtung zwischen Gehäuse und Läufer, wobei die Dichtung ein in der Nut des Läufers aufgenommenes Federdichtband umfasst, welches in Richtung der Läuferachse radial elastisch vorgespannt ist und dessen Abstand zur Läuferachse mit steigender Drehzahl zunimmt. Eine derartige Turbine ist bekannt aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 28 16 084 A1 . - Turbomaschinen müssen an Stellen unterschiedlichen Drucks abgedichtet werden, damit die zur Wirkungsgradverlusten führenden Leckagen möglichst gering bleiben. In den meisten Fällen werden dazu berührungslose Labyrinthdichtungen verwendet. Dabei darf mit Rücksicht auf die Wärmedehnung, die Fliehkraftdehnung, dem Aufschwingen des Rotors in den Radiallagen und beim Durchfahren von kritischen Drehzahlen das radiale Dichtspiel der Labyrinthdichtung nicht zu klein werden. Ein zu klein gewählter Dichtspalt führt unweigerlich zum Anstreifen und damit zur Beschädigung der Labyrinthspitzen und schlimmstenfalls zur Verkrümmung des Läufers.
- Aus dem Stand der Technik sind federnde Dichtsegmente bekannt, die bei einem Anstreifen im Läufer ausweichen und so größere Beschädigungen vermeiden können.
- So zeigt
Figur 1 eine bekannte Labyrinthdichtung, die eine rotierende Welle 1 gegenüber einem stehenden Gehäuse 2 abdichtet. Wellenfest angeordnet sind eine Mehrzahl von sich radial erstreckenden Dichtstreifen 3, die mit dem Gehäuse 2 jeweils einen Dichtspalt 4 etablieren. Die Breite des Dichtspaltes 4 ist konstant. -
Figur 2 zeigt, wie das Anstreifen der Dichtstreifen 3 an dem Gehäuse 2 mit Hilfe von federnd gelagerten Dichtsegmenten 5 vermieden werden kann. Hierfür sind in dem Gehäuse zwei eine Mehrzahl von T-förmigen Nuten 6 vorgesehen, die sich in Umfangsrichtung um die Welle 1 herum erstrecken. Die Dichtsegmente 5 weisen einen T-förmigen Ankerabschnitt 7 auf, mit denen sie in der Nut 6 gehalten werden. Federn 8 spannen die Dichtsegmente 5 radial in Richtung der Welle vor. Bei einem axialen Versatz der Welle 1 weichen die Dichtsegmente 5 entgegen der Vorspannkraft der Federn 8 aus, so dass es bei einem Dichtspalt 4 von Null zu keiner größeren Beschädigung der Dichtung kommt. - Die eingangs genannte
DE 28 16 084 offenbart eine als Strahltriebwerk ausgeführte Turbine mit einer adaptiven Labyrinthdichtung zwischen Läufer und Gehäuse. Unter einer adaptiven Labyrinthdichtung ist eine berührungslose Dichtung zu verstehen, deren Dichtspalt drehzahlabhängig ist. Hierzu ist der Läufer mit einer T-förmigen Nut versehen, in welchem ein Federdichtband aufgenommen ist. Das Federdichtband ist läuferwärts radial elastisch vorgespannt, so dass es sich bei steigender Drehzahl radial ausdehnt, wodurch sein Abstand zur Läuferachse zunimmt. Das Federdichtband umfasst eine Dichtstreifen, die radial aus der Nut des Läufers heraus und in eine korrespondierende Nut des Gehäuses hineinragt. Die linienförmige Peripherie der Dichtstreifen etabliert mit dem flächigen Nutgrund der Gehäusenut einen Dichtspalt, der mit zunehmender Drehzahl enger wird. - Nachteilig bei dieser Dichtung ist ihre große axiale Baulänge und die Montage des Federdichtbandes. Da dieses ebenfalls einen T-förmigen Querschnitt aufweist, erreicht das Federdichtband quer zu seiner Längserstreckung ein achtbares Flächenträgheitsmoment. Dies bedeutet, dass das T-förmige Dichtband in der Praxis nur unter erheblichen Anstrengungen in die Nut des Läufers eingeführt werden kann, da sich das Flächenträgheitsmoment einem Verbiegen um die Drehachse herum widersetzt. Auch ist das eingesetzte Federdichtband in Radialrichtung aufgrund seiner T-Form sehr steif, so dass es sich unter Fliehkräften nur unter Verwendung sehr weicher Werkstoffe dehnt. Die Werkstoffwahl des Federdichtbands wird dadurch eingeschränkt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbine mit adaptiver Labyrinthdichtung - also mitdrehzahlvariablem Dichtspalt - so weiter zu bilden, dass die Montage des Federdichtbandes erleichtert und die Werkstofffreiheit erhöht wird. - Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Federdichtbandes, welches eine nach außen gewandte, sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtfläche aufweist und durch die gehäusefeste Anordnung eines Dichtstreifens, der radial in die Nut des Läufers hineinragt und mit der Dichtfläche des Federdichtbandes den drehzahlvariablen Dichtspalt etabliert.
- Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, den Dichtstreifen von dem Federdichtband zu trennen und gehäusefest anzuordnen, so dass der Dichtspalt zwischen dem Dichtstreifen und dem Federdichtband gebildet wird. Da der Dichtstreifen nunmehr unbewegt ist, beeinflusst seine Steifigkeit nicht das Dehnverhalten des Federdichtbandes. Somit kann ein vergleichsweise steifer Dichtstreifen mit einem elastischen Federdichtband aus einem weichen Werkstoff kombiniert werden. Die Montage des weichen Federdichtbandes ist deutlich einfacher.
- Vorzugsweise besteht das Federdichtband aus einem flachen Streifen, der an seinen Rändern eine Mehrzahl von aus der Ebene des Streifens hervorstehenden Federlaschen aufweist. Diese werden dadurch gebildet, dass der Streifen vom Rand her quer und anschließend längs eingeschnitten wird. Auf diese Weise erhält man ein äußerst leicht zu montierendes und vor allen Dingen preiswert herzustellendes Federdichtband. Das Flächenträgheitsmoment in Biegerichtung ist klein.
- Die vorliegende Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Hierfür zeigen:
- Fig. 1:
- Labyrinthdichtung (Stand der Technik);
- Fig. 2:
- Labyrinthdichtung mit federnd gehaltenen Dichtsegmenten (Stand der Technik);
- Fig. 3:
- erfindungsgemäßes Federdichtband, perspektivisch;
- Fig. 4:
- Dichtstellen der erfindungsgemäßen Turbine im Längsschnitt.
- Ein erfindungsgemäßes Federdichtband 9 zeigt
Figur 3 . Dabei handelt es sich um einen flachen, bandförmigen Streifen aus Metall oder einem Elastomeren, der in seinen Randbereichen mit einer Vielzahl von Federlaschen 10 versehen ist. Die Federlaschen werden dadurch gebildet, dass der flache Streifen zunächst vom Rand her quer und anschließend längs eingeschnitten wird. Die durch die beiden Schnitte umschlossene Federlasche 10 wird anschließend aus der Ebene des Streifens heraus gebogen, so dass gegenüberliegend dem quer verlaufenden Einschnitt ein quer verlaufendes, Materialimplementiertes Federgelenk 11 entsteht. -
Figur 4 zeigte eine erfindungsgemäße Turbine mit einem Gehäuse 2 und einem im Gehäuse 2 rotierbar gelagertem Läufer 1. Am Läufer befestigt sind eine Mehrzahl von Laufschaufeln 12; am Gehäuse 2 befestigt sind eine Mehrzahl von feststehenden Leitschaufeln 13; die Laufschaufeln 12 sind zum Gehäuse 2 bzw. die Leitschaufeln 13 zum Läufer hin abzudichten. Die hierzu eingesetzten Labyrinth-Dichtungen umfassen je eine im Läufer angeordnete, T-förmige Nut 6, welche sich in Umfangsrichtung um den Läufer 1 herum erstreckt. Im Falle der Leitschaufelabdichtung verläuft sie in der Läuferwelle selbst, im Falle der Laufschaufelabdichtung in der Laufschaufel 12. In die T-förmigen Nuten 6 eingezogen ist das inFig. 3 gezeigte Federdichtband 9. Die Federlaschen 10 weisen dabei radial nach außen, so dass sie das Federdichtband 9 radial elastisch in Richtung der Drehachse des Läufers 1 vorspannen. Die Federlaschen 10 stützen sich dabei gegen gehäuseseitige Hinterschneidungen 14 der Nuten ab. Bei stehendem Läufer 1 drücken die Federlaschen 10 das Federdichtband 9 radial in Richtung der Läuferachse. - Das Federdichtband 9 umfasst montiert eine radial nach außen gewandte, sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtfläche 15, die von außen jeweils durch die Nuten 6 zugänglich ist. Die Dichtfläche 15 erstreckt sich somit zwischen den Hinterschneidungen 14.
Gehäusefest angeordnet ist je Federdichtband 9 ein mit dessen Dichtfläche 15 korrespondierender Dichtstreifen 3, der radial in die Nut 6 des Läufers 1 hineinragt und mit der Dichtfläche 15 einen Dichtspalt etabliert. Die Dichtstreifen 3 entsprechen denen herkömmlicher Labyrinthdichtungen wie ausFigur 1 . - Das hier vorgestellte Federdichtband kann in allen Labyrinthdichtungen wie Ausgleichskolben, den Deckbändern der Laufschaufeln, sowie unter den Leitschaufeln eingesetzt werden. Das Federdichtband 9 wird durch eine nicht dargestellte Einfüllöffnung in die T-förmige Nut 6 geschoben. Die seitlichen Federlaschen 10 links und rechts bewirken, dass das Federdichtband 9 im Stillstand der Turbine am unteren Nutgrund gehalten wird. In diesem Zustand erreicht der radiale Dichtspalt seinen größten Wert. Ein Anstreifen bei Abkühlung im Drehwerksbetrieb wird dadurch verhindert. Während des Hochlaufens der Maschine schwimmt der Läufer 1 im Ölfilm des Radiallagers auf und nach dem Durchfahren der kritischen Drehzahlen mit höheren Schwingungen erreicht der Läufer 1 vor der Betriebsdrehzahl seine stabile zentrische Lage zum Gehäuse 2. Ebenfalls vor dem Erreichen der Nenndrehzahl ist die Fliehkraft auf das Federdichtband 9 so groß, dass die seitlichen Federlaschen 10 weggebogen werden und das Band an den Hinterschneidungen 14 der T-Nut 6 zum Anliegen kommt. Der Dichtspalt hat nun seinen vorher bestimmten Minimalwert erreicht, womit die Dichtung geschlossen ist.
- Insgesamt realisiert die erfindungsgemäße Turbine kleinere Dichtspalte, wodurch der Wirkungsgrad verbessert wird. Die Gefahr des Anstreifens in kritischen Betriebszuständen wie z. B. beim An- und Abfahren oder in kritischen Drehzahlbereichen wird minimiert. Darüber hinaus wird die Montage des Federdichtbandes 9 erleichtert.
-
- 1
- Läufer (Welle)
- 2
- Gehäuse
- 3
- Dichtstreifen
- 4
- Dichtspalt
- 5
- Dichtsegmenten
- 6
- Nut
- 7
- Ankerabschnitt
- 8
- Federn
- 9
- Federdichtband
- 10
- Federlaschen
- 11
- Federgelenk
- 12
- Laufschaufeln
- 13
- Leitschaufeln
- 14
- Hinterscheidungen
- 15
- Dichtfläche
Claims (3)
- Turbine, insbesondere Dampfturbine, mit einem Gehäuse (2), mit einem im Gehäuse um eine Läuferachse rotierbar gelagertem Läufer (1), welcher eine sich in Umfangsrichtung erstreckende, T-förmige Nut (6) aufweist, und mit mindestens einer Dichtung zwischen Gehäuse (2) und Läufer (1), wobei die Dichtung ein in der Nut (6) des Läufers (1) aufgenommenes Federdichtband (9) umfasst, welches in Richtung der Läuferachse radial elastisch vorgespannt ist und dessen Abstand zur Läuferachse mit steigender Drehzahl zunimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federdichtband (9) eine nach außen gewandte, sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtfläche (15) aufweist, und dass die Dichtung mindestens einen gehäusefesten Dichtstreifen (3) umfasst, der radial in die Nut (6) des Läufers (1) hineinragt und mit der Dichtfläche (15) des Federdichtbandes (9) einen Dichtspalt etabliert. - Turbine nach Anspruch 1, ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federdichtband (9) von einem flachen Streifen gebildet wird, der an seinen Rändern eine Mehrzahl von aus Ebene des Streifens hervorstehenden Federlaschen (10) aufweist, die dadurch gebildet sind, dass der Streifen vom Rand her quer und anschließend längs eingeschnitten ist. - Federdichtband (9) für eine Turbine nach Anspruch 2.
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