EP2992253A1 - Bürstendichtungsanordnung - Google Patents

Bürstendichtungsanordnung

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EP2992253A1
EP2992253A1 EP14741233.2A EP14741233A EP2992253A1 EP 2992253 A1 EP2992253 A1 EP 2992253A1 EP 14741233 A EP14741233 A EP 14741233A EP 2992253 A1 EP2992253 A1 EP 2992253A1
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EP
European Patent Office
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rotor
brush
brush seal
sealing surface
bristles
Prior art date
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Application number
EP14741233.2A
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Inventor
Andreas Hofmann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3284—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings characterised by their structure; Selection of materials
    • F16J15/3288—Filamentary structures, e.g. brush seals
    • 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
    • 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
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
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    • F16J15/4472—Labyrinth packings with axial path
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F16J15/44—Free-space packings
    • F16J15/447—Labyrinth packings

Definitions

  • the invention relates to a brush seal arrangement for sealing a gap between a rotor and a stator according to the preamble of independent claim 1.
  • the invention further relates to a rotary machine, in particular a steam turbine according to independent patent claim 3.
  • Brush seals have the task of sealing the gap between a rotor and a stator, thus keeping the leakage of process fluid through the gap between rotor and stator as low as possible.
  • the brush seal has a brush housing and a multiplicity of bristles fastened in brush housings. The bristles protrude from the brush housing and support with their free end against a sealing surface on the rotor.
  • the bristles of the bristle seal are permanently supported against the sealing surface on the rotor, or a local application of the free ends of the brush seal to the sealing surface of the rotor occurs only during radial movement of the rotor during operation.
  • Brush seals are used in particular for balancing pistons and in the blading path of steam turbines.
  • the object of the invention is to provide a brush seal which excludes the risk of spiral vibrations or at least significantly reduced. Furthermore, it is Be the invention to provide a steam turbine with such a brush seal.
  • the invention is achieved with respect to the brush seal assembly by the features of independent claim 1 and with respect to the rotary machine by the features of independent claim 3.
  • the brush seal assembly of the invention for sealing a gap between a rotor and a stator comprising at least one brush seal having a brush housing and a plurality of bristles mounted in brush housings, the free ends of the bristles being supported against a sealing surface on the rotor, is characterized in that the rotor in the axial direction in front of and behind the sealing surface, radially encircling relief grooves are provided so that in the region of the sealing surface, a web is formed, which deform, especially when a brushing of the brush housing on the sealing surface locally can. Due to the local deformation of the web, a curvature of the rotor is largely avoided, whereby dangerous spiral vibrations can be largely avoided.
  • multiple brush seals are preferably arranged axially one behind the other.
  • the rotary machine according to the invention in particular steam turbine, is characterized in that the rotary machine ne comprises a brush seal assembly according to one of the preceding claims. Due to the use of the erfindungsmä field brush seal arrangement, the risk of curvature of the rotor and thus the formation of dangerous spiral vibrations is avoided or at least greatly reduced. As a result, the safety of the use of brush seals in rotary machine, such as steam turbines, gas turbine and compressors, significantly increased. An embodiment of the invention will be explained below with reference to FIGS.
  • FIG. 1 shows a brush seal arrangement according to the invention.
  • the brush seal assembly comprises three radially arranged behind one another brush seals 9, which in a
  • Stator 3 are arranged.
  • the stator 3 is, for example, the housing of a steam turbine.
  • Each brush seal 9 comprises a brush housing 4 in which a plurality of bristles 5 fastened in the brush housing 4 are arranged. The free ends of the bristles 5, which protrude from the brush housing 4, are supported against a sealing surface 6 on the rotor 2. As a result, the gap 1 between the rotor 2 and the steam turbine housing 3 is sealed.
  • the brush seal 9 may be formed so that the bristles 5 are permanently supported on the sealing surface 6 on the rotor 2 or it comes only at a radial deflection of the rotor 2 to a rubbing of the bristles 5 on the sealing surface 6.
  • the rotor 2 is designed so that a radially circumferential relief groove 7 is provided in front of and behind each sealing surface 6 so that a web 8 is formed in the region of the sealing surface 6 which can deform on the web 8 when loaded.
  • the local deformation of the webs 8 is shown in FIG. Due to a radial strong deflection of the rotor 2, there is a brushing of the brush seal 9 on the sealing surfaces 6, whereby locally very high temperatures. As a result, the webs 8 are deformed locally and substantially elastically. Due to the elastic deformation in the region of the webs 8 is a curvature of the rotor 2 effectively prevented. The curvature of the gate 2 would favor the emergence dangerous spiral oscillations.
  • the brush seal assembly according to the invention thus ensures a much safer operation of the steam turbine.
  • the brush seal can be used in particular for the shaft area in the steam turbine. Depending on the width and depth of the groove in the rotor, the possibility of the web for local deformation can be influenced.
  • the brush seal arrangement according to the invention minimizes the risk of spiral vibrations in rotors prone to bending, in rotary machines, such as in steam turbines, gas turbines or compressors.
  • the design of the brush seal assembly according to the invention is structurally very simple and inexpensive.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bürstendichtungsanordnung, zur Abdichtung eines Spaltes (1) zwischen einem Rotor (2) und einem Stator (3). Die Bürstendichtung (9) umfasst ein Bürstengehäuse (4) und eine Vielzahl von in Bürstengehäuse (4) befestigten Borsten (5). Die freien Enden der Borsten (5) stützen sich gegen eine Dichtfläche (6) am Rotor (2) ab. Am Rotor (2) sind in axialer Richtung vor und hinter der Dichtfläche (6) radial umlaufende Entlastungsnuten (7) vorgesehen, so dass im Bereich der Dichtflächen (6) ein Steg (8) ausgebildet wird, welcher sich, insbesondere beim Anstreifen des Bürstengehäuses an der Dichtfläche, lokal verformen kann, wodurch die Gefahr der Verkrümmung des Rotors und damit das Auftreten von gefährlichen Spiralschwingungen minimiert werden kann. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Dampfturbine mit einer solchen Bürstendichtungsanordnung.

Description

Beschreibung
Bürstendichtungsanordnung Die Erfindung betrifft eine Bürstendichtungsanordnung zum Abdichten eines Spaltes zwischen einem Rotor und einem Stator nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Rotationsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine nach dem unabhängigen Patentan- spruchs 3.
Bürstendichtungen haben die Aufgabe, den Spalt zwischen einem Rotor und einem Stator abzudichten und so die Leckage von Prozessfluid durch den Spalt zwischen Rotor und Stator mög- liehst gering zu halten. Die Bürstendichtung weist hierzu ein Bürstengehäuse und eine Vielzahl von in Bürstengehäuse befestigten Borsten auf. Die Borsten ragen aus dem Bürstengehäuse heraus und stützen sich mit ihrem freien Ende gegen eine Dichtfläche am Rotor ab. Je nach Ausführungsform der Bürsten- dichtung stützen sich die Borsten der Borstendichtung permanent gegen die Dichtfläche am Rotor ab oder es kommt lediglich bei einer radialen Bewegung des Rotors im Betrieb zu einem lokalen Anlegen der freien Enden der Bürstendichtung an der Dichtfläche des Rotors. Bürstendichtungen finden insbe- sondere Anwendung bei Ausgleichskolben und im Beschaufelungspfad von Dampfturbinen.
Bei der Auslegung der Bürstendichtungen ist darauf zu achten, dass bei einem Rotor-Stator-Kontakt, die Gefahr von Spiral- Schwingungen ausgeschlossen wird und somit ein stabiler Betrieb für alle Betriebszustände sichergestellt werden kann. Zu den gefährlichen Spiralschwingungen kommt es, wenn aufgrund des Anstreifens des Rotors am Stator (oder am Bürstengehäuse) es zu einer Verkrümmung des Rotors kommt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bürstendichtung bereitzustellen, welche die Gefahr von Spiralschwingungen ausschließt oder zumindest deutlich reduziert. Des Weiteren ist es Aufga- be der Erfindung, eine Dampfturbine mit einer solchen Bürstendichtung bereitzustellen.
Die Erfindung wird hinsichtlich der Bürstendichtungsanordnung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Rotationsmaschine durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 3 gelöst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung, die einzeln oder in Kom- bination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche .
Die erfindungsgemäße Bürstendichtungsanordnung, zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einem Rotor und einem Stator, um- fassend wenigstens eine Bürstendichtung, welche ein Bürstengehäuse und eine Vielzahl von in Bürstengehäuse befestigten Borsten aufweist, wobei die freien Enden der Borsten sich gegen eine Dichtfläche am Rotor abstützen können, zeichnet sich dadurch aus, dass am Rotor in axialer Richtung vor und hinter der Dichtfläche, radial umlaufende Entlastungsnuten vorgesehen sind, so dass im Bereich der Dichtfläche, ein Steg ausgebildet ist, welcher sich, insbesondere bei einem Anstreifen des Bürstengehäuses an der Dichtfläche, lokal verformen kann. Durch die lokale Verformung des Steges wird eine Verkrümmung des Rotors weitgehend vermieden, wodurch gefährlichen Spiralschwingungen weitgehend vermieden werden können. Hierdurch wird die Betriebssicherheit der Rotor-Stator-Einheit wesentlich erhöht. Ein weiterer positiver Effekt der Entlastungsnuten ist die kühlende Wirkung des Dampfes innerhalb der Ent- lastungsnut. Aufgrund des Anstreifens der Bürstendichtung an den Dichtflächen kommt es nämlich lokal zu sehr hohen Temperaturen im Bereich des Steges.
Zum Überwinden von hohen Druckdifferenzen sind bevorzugt meh- rere Bürstendichtungen axial hintereinander angeordnet.
Die erfindungsgemäße Rotationsmaschine, insbesondere Dampfturbine, zeichnet sich dadurch aus, dass die Rotationsmaschi- ne eine Bürstendichtungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche umfasst. Aufgrund des Einsatzes der erfindungsmäßen Bürstendichtungsanordnung wird die Gefahr einer Verkrümmung des Rotors und damit das Entstehung gefährlicher Spiral- Schwingungen vermieden oder zumindest stark reduziert. Hierdurch wird die Sicherheit beim Einsatz von Bürstendichtungen bei Rotationsmaschine, wie beispielsweise bei Dampfturbinen, Gasturbine und Kompressoren, wesentlich erhöht. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 erläutert .
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Bürstendichtungsanordnung. Die Bürstendichtungsanordnung umfasst drei radial hin- tereinander angeordnete Bürstendichtungen 9, die in einen
Stator 3 angeordnet sind. Beim Stator 3 handelt es sich beispielsweise um das Gehäuse einer Dampfturbine. Jede Bürstendichtung 9 umfasst ein Bürstengehäuse 4 in dem eine Vielzahl von im Bürstengehäuse 4 befestigten Borsten 5 angeordnet sind. Die freien Enden der Borsten 5, welche aus dem Bürstengehäuse 4 hinausragen, stützen sich gegen eine Dichtfläche 6 am Rotor 2 ab. Hierdurch wird der Spalt 1 zwischen dem Rotor 2 und dem Dampfturbinengehäuse 3 abgedichtet. Die Bürstendichtung 9 kann dabei so ausgebildet sein, dass die Borsten 5 sich permanent an der Dichtfläche 6 am Rotor 2 abstützen oder es lediglich bei einer radialen Auslenkung des Rotors 2 zu einem Anstreifen der Borsten 5 an der Dichtfläche 6 kommt. Der Rotor 2 ist erfindungsgemäß so ausgebildet, dass vor und hinter jeder Dichtfläche 6 eine radial umlaufende Entlas- tungsnut 7 vorgesehen ist, so dass im Bereich der Dichtfläche 6 ein Steg 8 ausgebildet wird, welcher sich bei Belastung auf den Steg 8, verformen kann. Die lokale Verformung der Stege 8 ist in Figur 1 dargestellt. Aufgrund einer radialen starken Auslenkung des Rotors 2 kommt es zu einem Anstreifen der Bürstendichtung 9 an den Dichtflächen 6, wodurch lokal sehr hohe Temperaturen entstehen. Hierdurch werden die Stege 8 lokal und im Wesentlichen elastisch verformt. Durch die elastische Verformung im Bereich der Stege 8 wird eine Verkrümmung des Rotors 2 wirkungsvoll verhindert. Die Verkrümmung des tors 2 würde das Entstehen gefährlicher Spiralschwingungen begünstigen . Die erfindungsgemäße Bürstendichtungsanordnung sorgt somit für einen wesentlich sichereren Betrieb der Dampfturbine. Die Bürstendichtung kann insbesondere für den Wellenbereich bei der Dampfturbine verwendet werden. Je nach Breite und Tiefe der Nut im Rotor kann die Möglichkeit des Steges zur lokalen Verformung beeinflusst werden.
Durch die erfindungsgemäße Bürstendichtungsanordnung wird die Gefahr von Spiralschwingungen bei verkrümmungsgefährdeten Rotoren, bei Rotationsmaschine, wie beispielsweise bei Dampfturbinen, Gasturbinen oder Kompressoren minimiert. Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Bürstendichtungsanordnung ist dabei konstruktiv sehr einfach und kostengünstig.

Claims

Patentansprüche
1. Bürstendichtungsanordnung, zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einem Rotor und einem Stator, umfassend wenigstens eine Bürstendichtung, welche ein Bürstengehäuse und eine Vielzahl von im Bürstengehäuse befestigten Borsten aufweist, wobei die freien Enden der Borsten sich gegen eine Dichtfläche am Rotor abstützen,
dadurch gekennzeichnet, dass
am Rotor in axialer Richtung vor und hinter der Dichtfläche, radial umlaufende Entlastungsnuten vorgesehen sind, so dass im Bereich der Dichtfläche, ein Steg ausgebildet ist, welcher sich, insbesondere bei einem Anstreifen des Bürstengehäuses an der Dichtfläche, lokal verformen kann.
2. Bürstendichtungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bürstendichtungsanordnung eine Vielzahl von in axiale Richtung hintereinander angeordneten Bürstendichtungen aufweist .
3. Rotationsmaschine, insbesondere Dampfturbine,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rotationsmaschine eine Bürstendichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 umfasst.
EP14741233.2A 2013-08-26 2014-07-08 Bürstendichtungsanordnung Ceased EP2992253A1 (de)

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RU (1) RU2623322C1 (de)
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