EP3324002A1

EP3324002A1 - Dichtungssystem für eine axiale strömungsmaschine und axiale strömungsmaschine

Info

Publication number: EP3324002A1
Application number: EP17198765.4A
Authority: EP
Inventors: Hermann Klingels
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: DE102016222720A1; US20180142567A1; EP3324002B1; ES2881326T3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtungssystem (100) für eine axiale Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine, umfassend ein Laufrad (3) mit einem radial außen angeordneten Deckband (4) und ein das Laufrad (3) umgebendes Gehäuse (30), wobei zwischen dem Deckband (4) und dem Gehäuse (30) ein Spalt (6) angeordnet ist, und wobei der Spalt (6) mittels einer mit dem Gehäuse (30) verbundenen Dichtung (12) und wenigstens einer am Deckband (4), gegenüber der Dichtung (12) angeordneten Dichtspitze (5) zum Verringern der Strömungsverluste durch den Spalt (6) begrenzt ist. Am stromabseitigen Endbereich der Dichtung (12) ist eine weitere, mit dem Gehäuse (30) verbundene statische Dichtspitze (20) zum Beeinflussen der Strömung durch den Spalt und/oder zum Beeinflussen der Strömung stromab der statischen Dichtspitze (20) angeordnet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine axiale Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit wenigstens einer Niederdruckturbinenstufe, wobei die Niederdruckturbinenstufe ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem (100) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtungssystem für eine axiale Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine axiale Strömungsmaschine gemäß Anspruch 14.
In axialen Strömungsmaschinen, insbesondere in mehrstufigen axialen Strömungsmaschinen, ändert sich der Druck im Arbeitsmedium (oder Fördermedium) von Stufe zu Stufe. In einer als Gasturbine ausgeführten Strömungsmaschine ist im Verdichter der Druck in der Regel stromabwärts einer Schaufelreihe höher als der Druck stromaufwärts, in der Turbine dagegen stromabwärts einer Schaufelreihe geringer als der Druck stromaufwärts. Zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrades der Strömungsmaschine ist es notwendig, dass das Arbeitsmedium durch die Beschaufelung der einzelnen Stufen geleitet wird, und nicht als Leckagestrom (oder Bypassstrom), ohne Arbeitsabgabe, die Schaufelreihen umgeht. Hierzu ist im Bereich einer äußeren Ringraumbegrenzung ein Dichtungssystem vorgesehen, welches beispielsweise als Labyrinthsystem ausgebildet ist.
Derartige Dichtungssysteme haben die Aufgabe, einen Leckagestrom durch einen Dichtspalt zwischen der rotierenden Beschaufelung und einem Gehäuse minimal zu halten und damit ein stabiles Betriebsverhalten bei hohem Wirkungsgrad zu ermöglichen. Üblicherweise weisen die rotierenden Bauteile einer Turbine Dichtfinnen bzw. Dichtspitzen auf, die gegen wabenförmige Dichtungen streifen bzw. einlaufen können. Die Dichtungen sind dabei als Anstreif- und Einlaufbeläge ausgebildet. Durch eine Minimierung der radialen Spalte oberhalb der Dichtfinnen wird versucht, die Leckageströme durch die Kavitäten in diesen Bereichen, insbesondere in Bereichen oberhalb von Deckbändern von Laufschaufeln und die dadurch entstehenden Wirkungsverluste zu minimieren. Dennoch entstehen oft beim Eintritt der Leckageströmung in den so genannten Hauptstrom der Strömungsmaschine Mischungsverluste durch unterschiedliche Ausrichtungen und Geschwindigkeiten des Hauptstroms und der Leckageströmung.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein weiteres Dichtungssystem für eine axiale Strömungsmaschine vorzuschlagen. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine axiale Strömungsmaschine mit einem erfindungsgemäßen Dichtungssystem vorzuschlagen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Dichtungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie wird ferner durch eine axiale Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Erfindungsgemäß wird somit ein Dichtungssystem für eine axiale Strömungsmaschine vorgeschlagen, das wenigstens ein Laufrad mit einem radial außen angeordneten Deckband und ein das Laufrad umgebendes Gehäuse umfasst. Zwischen dem Deckband und dem Gehäuse ist ein Spalt angeordnet. Der Spalt ist einerseits mittels einer mit dem Gehäuse verbundenen Dichtung und andererseits mittels wenigstens einer am Deckband angeordneten Dichtspitze begrenzt. Diese am Deckband angeordnete Dichtspitze kann als rotierende Dichtspitze bezeichnet werden, da sie sich mit dem Laufrad dreht. Die Dichtung ist, in Radialrichtung gesehen, gegenüber dem Deckband angeordnet. Die Begrenzung des Spalts durch die Dichtung und das Deckband kann die Strömungsverluste der Spaltströmung verringern. Am stromabseitigen Endbereich der gehäuseseitigen Dichtung ist eine weitere, mit dem Gehäuse verbundene, statische Dichtspitze angeordnet. Mittels dieser statischen Dichtspitze wird die Strömung durch den Spalt beeinflusst, insbesondere verringert. Alternativ oder ergänzend wird mittels der statischen Dichtspitze die Strömung stromab der statischen Dichtspitze beeinflusst.
Eine Beeinflussung, insbesondere eine Verringerung der Strömung durch den Spalt mittels der statischen Dichtspitze kann durch Strömungsverluste der statischen Dichtspitze verursacht werden.
Alternativ oder ergänzend kann eine mögliche Wirbelbildung stromab der statischen Dichtspitze durch die statische Dichtspitze beeinflusst werden. Die Spaltströmung zwischen der statischen Dichtspitze und dem Deckband kann stromab einen Wirbel oder ein Wirbelgebiet hervorrufen bzw. verursachen, dessen Drehrichtung primär die gleiche Strömungsrichtung wie die benachbarte Hauptströmung aufweist. Dadurch können die Strömungsverluste und/oder die Störung der Hauptströmung durch diese Wirbel verringert werden. Dies kann vorteilhaft den Wirkungsgrad der axialen Strömungsmaschine durch das erfindungsgemäße Dichtungssystem erhöhen.
Eine durch die beschriebene Drehrichtung der Wirbel verringerte Störung der Hauptströmung kann als verlustarme Mischung mit dem Hauptstrom bezeichnet werden. Demgegenüber kann ein Dichtungssystem ohne statischer Dichtspitze zu einer Wirbelbildung führen, dessen primäre Drehrichtung der Hauptströmung entgegengesetzt ist. Dies würde zu einer verlustreichen Mischung mit dem Hauptstrom führen und könnte zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Strömungsmaschine beitragen.
Das radial außen am Laufrad angeordnete Deckband kann als Außendeckband oder als Laufschaufelaußendeckband bezeichnet werden.
Der zwischen dem Deckband und dem Gehäuse angeordnete Spalt kann als Laufspalt bezeichnet werden.
Die erfindungsgemäße axiale Strömungsmaschine umfasst wenigstens eine Niederdruckturbinenstufe mit einem erfindungsgemäßen Dichtungssystem. Die axiale Strömungsmaschine kann weiterhin wenigstens eine Hochdruckturbinenstufe, eine Niederdruckverdichterstufe und eine Hochdruckverdichterstufe aufweisen. Jede der genannten Stufen kann ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem aufweisen.
Die axiale Strömungsmaschine kann eine Gasturbine sein, insbesondere eine Fluggasturbine oder ein Flugtriebwerk.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.
Erfindungsgemäße beispielhafte Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale aufweisen.
Eine statische und/oder eine umlaufende Dichtspitze kann als Dichtfin bezeichnet werden.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen kann die mit dem Gehäuse verbundene Dichtung eine Einlaufdichtung sein. Eine Einlaufdichtung kann als Anstreifdichtung bezeichnet werden. Eine Einlaufdichtung kann einen einlauffähigen Belag oder eine einlauffähige Schicht aufweisen, in die beispielsweise eine Dichtspitze zum Ausbilden eines Dichtspalts eindringen kann. Dieser Dichtspalt kann durch das Eindringen oder Einlaufen einer Dichtspitze, insbesondere während eines vorgesehenen Betriebszustands, klein ausgebildet sein und somit vorteilhaft zur Optimierung des Wirkungsgrads der Strömungsmaschine beitragen. Die Einlaufdichtung kann eine Wabenstruktur zum Eindringen einer Dichtspitze umfassen.
Die Einlaufdichtung kann mit dem Gehäuse stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden sein. Die Einlaufdichtung kann geklebt, gelötet, genietet oder geklemmt sein, oder anders am Gehäuse befestigt sein.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen ist die Einlaufdichtung nur am Gehäuse befestigt. In dieser Ausführungsform ist keine Einlaufdichtung am Laufrad, insbesondere am Deckband des Laufrads befestigt. Die Einlaufdichtung ist somit nur auf einer Seite des Spalts angeordnet.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen kann das Deckband wenigstens zwei Dichtspitzen aufweisen. Zwei Dichtspitzen können in zwei gegenüberliegende Einlaufdichtungen am Gehäuse eingreifen und einen Dichtspalt ausbilden. Die wenigstens zwei Dichtspitzen können axial hintereinander auf einem Radius bzw. auf radial einer Höhe angeordnet sein. Alternativ können die zwei Dichtspitzen axial hintereinander auf unterschiedlichen Radien bzw. auf radial unterschiedlichen Höhen, also radial versetzt angeordnet sein.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen weist das Deckband keine Dichtung, insbesondere keine Einlaufdichtung auf.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen weist das Deckband drei oder mehr Dichtspitzen auf. Die Dichtspitzen können radial auf einer Höhe oder unterschiedlichen Höhen angeordnet sein. Beispielsweise können zwei axial hintereinander angeordnete Dichtspitzen den gleichen Radius aufweisen, wogegen eine dritte Dichtspitze radial weiter außen angeordnet ist.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen ist die wenigstens eine Dichtspitze des Deckbandes stromaufseitig geneigt angeordnet. Der Neigungswinkel zwischen der Radialrichtung und der Achsrichtung kann beispielsweise wenigstens 15 Grad betragen. Eine nicht geneigte Dichtspitze in Radialrichtung würde null Grad betragen. Eine geneigte Dichtspitze kann die Strömungsverluste durch eine geringere Strömung durch den Spalt vorteilhaft beeinflussen. Eine geneigte Dichtspitze kann auch vorteilhaft hinsichtlich der Deckbandkonfiguration sein, beispielsweise bei einer Anordnung mehrerer Dichtspitzen am Deckband. Ebenso kann die Strukturfestigkeit des Deckbandes mit einer geneigten Dichtspitze vorteilhaft höher sein. Insbesondere die stromauf vorderste Dichtspitze des Deckbandes kann geneigt sein. Die Neigung kann zwanzig Grad, fünfundzwanzig Grad, dreißig Grad oder mehr betragen.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen weist das Deckband im gegenüberliegenden Bereich der statischen Dichtspitze einen Verschleißschutz auf. Der Verschleißschutz kann vorteilhaft einen direkten Kontakt der statischen Dichtspitze mit dem Grundmaterial des Deckbands verhindern. Ein direkter Kontakt könnte das Deckband beschädigen, und somit einen größeren Schaden verursachen.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen erstreckt sich der Verschleißschutz des Deckbandes über den gegenüberliegenden Bereich der statischen Dichtspitze hinaus, insbesondere wenigstens bis zum angrenzenden Deckbandende. Der Verschleißschutz kann sich über weitere Bereich des Deckbandes erstrecken.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen ist der Verschleißschutz eine, zumindest abschnittsweise, Beschichtung des Deckbandes. Alternativ kann unter der Verschleißschutzschicht aber auch ein stoff- und oder kraftschlüssig an dem Deckband befestigtes blättchenartiges Element, beispielsweise aus einem Material mit dem Markennamen "Stellit" verstanden werden.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen ist der Verschleißschutz über dem Umfang des Deckbandes bereichsweise angeordnet. Beispielsweise kann der Verschleißschutz nur an einzelnen Stellen des Deckbandes angeordnet sein.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen weist der Werkstoff der statischen Dichtspitze eine geringere Härte gegenüber der Härte der Verschleißschutzschicht auf. Die Härte des Werkstoffs kann ein Maß für den Widerstand des Werkstoffs gegen Verschleiß sein. Das Material der Verschleißschutzschicht unterscheidet sich vorzugsweise von dem Grundmaterial des Deckbandes und weist insbesondere gegenüber diesem Grundmaterial ebenfalls eine größere Härte auf. Mit dem Begriff "größere Härte" ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine "größere Verschleißfestigkeit" gemeint.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen ist der Verschleißschutz gegenüber der übrigen Deckbandoberfläche erhaben, oder anders ausgedrückt ragt die Verschleißschutz in ihrer Höhe über die Oberfläche des Deckbandes hinaus. Die Verschleißschutzdicke kann beispielsweise 5µm, 10µm, 20µm oder eine andere Dicke aufweisen.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen wird ein Verschleißschutz mittels einer lokalen Randschichtaushärtung hergestellt, insbesondere mittels eines lasergestützen Verfahrens.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen ist die statische Dichtspitze mit einem formschlüssigen Bauteil, insbesondere einem Halteelement, am Gehäuse befestigt. Die statische Dichtspitze kann stoffschlüssig mit dem Halteelement verbunden sein.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen ist die statische Dichtspitze mit einem formschlüssigen Bauteil, insbesondere einem Halteelement, am stromabwärtigen Leitgitter, oder der Leitgitterverbindung, mit dem Gehäuse befestigt. Die statische Dichtspitze kann stoffschlüssig mit dem Halteelement verbunden sein.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen ist das Laufrad ein Turbinenlaufrad, insbesondere ein Niederdruckturbinenlaufrad.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen ist das Deckband über dem Umfang des Laufrads segmentiert. Insbesondere sind die Segmente als z-Deckbandsegmente ausgeführt. Mittels z-Deckbandsegmenten können die Laufradschaufeln untereinander vorteilhaft verspannt werden.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen weisen die Kontaktbereiche der Deckband-Segmente in Umfangsrichtung einen Verschleißschutz auf. Dieser Verschleißschutz kann als Verschleißschutz im gegenüberliegenden Bereich der statischen Dichtspitze ausgeführt sein. Insbesondere kragt dieser Verschleißschutz als Verschleißschutzschicht über die Deckbandoberfläche hinaus, so dass im Falle einer Berührung der statischen Dichtspitze mit dem Deckband zunächst nur die Verschleißschutzschicht berührt wird. Insbesondere ist die Härte der Verschleißschutzschicht größer als die Härte der statischen Dichtspitze. Dadurch kann vorteilhaft das Deckband vor einem Kontakt mit der statischen Dichtspitze geschützt werden. Ein derartiger Kontakt könnte das Deckband beschädigen.
Der Verschleißschutz kann stoffschlüssig, beispielsweise mittels Schweißen (z.B. mittels Laserauftragsschweißen), mit dem Deckband verbunden sein. Das Material des Verschleißschutzes kann eine Hartlegierung auf Kobaldbasis, beispielsweise eine Kobalt-Chrom-Legierung, sein oder eine solche aufweisen. Die Härte der Verschleißschutzschicht kann rein exemplarisch größer als 600 Vickershärte (abgekürzt HV) betragen.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen ist die statische Dichtspitze mittels einem Halteelement formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden.
In einigen erfindungsgemäßen, beispielhaften Ausführungsformen weist die statische Dichtspitze an der dem Deckband gegenüberliegenden Seite eine in Umfangsrichtung variable, insbesondere wellenförmige Struktur auf. Mittels der variablen bzw. wellenförmigen Struktur kann bei einem Kontakt der Dichtspitze mit dem Deckband, oder mit einer Verschleißschutzschicht auf dem Deckband, ein axial größerer Bereich einer Kontaktfläche der Dichtspitze genutzt werden gegenüber einer nicht variablen bzw. wellenförmigen, also geraden Struktur über dem Umfang. Mittels eines axial größeren Bereichs der Kontaktfläche kann vorteilhaft der Wärmeeintrag bei einem Kontaktvorgang oder einem Reibvorgang zwischen der Dichtspitze und dem Deckband (oder der Verschleißschutzschicht) auf eine größere Fläche und ein größeres Materialvolumen verteilt werden. Dadurch kann die Belastung, insbesondere die thermische Materialbeanspruchung, der Verschleißschutzschicht lokal reduziert werden.
Manche oder alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen können einen, mehrere oder alle der oben und/oder im Folgenden genannten Vorteile aufweisen.
Mittels des erfindungsgemäßen Dichtungssystems können vorteilhaft die Leckagen, also die Bypassströmung bzw. die Spaltströmung, verringert werden. Die Leckagen können als Primärverluste bezeichnet werden. Insbesondere mittels der statischen Dichtspitze kann die Spaltströmung reduziert werden.
Weiterhin kann mittels des erfindungsgemäßen Dichtungssystems die Hauptströmung weniger gestört und somit der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erhöht werden. Die Störungen der Hauptströmung können als Sekundärverluste bezeichnet werden. Insbesondere kann die Wirbelbildung stromab der statischen Dichtspitze beeinflusst und damit die Wirbeldrehrichtung der Hauptströmungsrichtung angepasst werden. Dadurch kann eine verlustarme Mischung der Wirbel, die aus der Spaltströmung resultieren, mit der Hauptströmung erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den jeweils stark schematisch vereinfachten Figuren gilt:

Fig. 1: zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Dichtungssystem einer Turbinenstufe mit einer Einlaufdichtung und zwei umlaufenden Dichtspitzen im Längsschnitt;
Fig. 2: zeigt ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem einer Turbinenstufe mit einer Einlaufdichtung, zwei umlaufenden Dichtspitzen und einer mit einem Gehäuse verbundenen statischen Dichtspitze im Längsschnitt;
Fig. 3: zeigt das erfindungsgemäße Dichtungssystem in einer Querschnittsebene mit der statischen Dichtspitze, einem Laufrad mit Deckband und einer Verschleißschutzschicht zwischen zwei Deckbandsegmenten;
Fig. 4: zeigt das Deckband in einer Ansicht von radial außen mit zwei Verschleißschutzschichten; und
Fig. 5a,b: zeigen zwei unterschiedliche Verläufe einer Innenkante der statischen Dichtspitze in Umfangsrichtung.

Fig. 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Dichtungssystem 100' einer Turbinenstufe mit einer Einlaufdichtung 12 und zwei umlaufenden (rotierenden) Dichtspitzen 5 im Längsschnitt. Ein Dichtungssystem 100' kann synonym als Dichtsystem bezeichnet werden. Die Einlaufdichtung 12 kann als Einlaufbelag bezeichnet werden.
Zwischen einem stromaufseitigen Leitrad 1 und einem stromabseitigen Leitrad 2 ist gehäuseseitig ein Gehäuseabschnitt 10 dargestellt, in dem ein Dichtungsträger 11 montiert ist. Der Gehäuseabschnitt 10 könnte auch als statisches Dichtungsteil bezeichnet werden. An dem Dichtungsträger 11 ist die Einlaufdichtung 12 befestigt, beispielsweise stoffschlüssig mittels Löten oder Kleben. In die Einlaufdichtung 12 greifen zwei Dichtspitzen 5 ein, die als Dichtfins bezeichnet werden können. Ein Laufspalt 6 zwischen der Einlaufdichtung 12 und den Dichtspitzen 5 wird mittels einem Einlaufen oder Einschneiden der Dichtspitzen 5 erzeugt oder generiert. Die Dichtspitzen 5 sind an einem radial äußeren Deckband 4 angeordnet, welches wiederum mit einem Laufrad 3 verbunden ist. Das Deckband 4 kann integral mit dem Laufrad 3 verbunden sein, beispielsweise mittels eines Lasersinter-Herstellprozesses.
Die Strömungsrichtung einer Leckageströmung (die Leckageströmung kann als Spaltströmung oder Bypasströmung bezeichnet werden) wird durch den Pfeil des Bezugszeichens des Laufspalts 6 gezeigt. In einer hier dargestellten Turbinenstufe nimmt der Druck des Strömungsmediums in der Durchströmungsrichtung des Hauptstroms H, in Fig. 1 von links nach rechts, ab. Folglich ist der Druck stromauf der Laufschaufel 3 höher gegenüber dem Druck stromab der Laufschaufel 3. Somit verläuft die Strömungsrichtung in Pfeilrichtung des Bezugszeichens des Laufspalts 6.
Stromab der zweiten Dichtspitze 5 (in Fig. 1 rechts) bildet die Leckageströmung einen Wirbel W aus. An der Mischstelle mit dem Hauptstrom H ergeben sich hohe Mischungsverluste, da die Drehrichtung des Wirbels W in einer Strömung resultiert, deren Durchströmungsrichtung des Hauptstroms H entgegengesetzt ist.
Weiterhin ist optional eine Versteifungsstruktur 13 auf dem Deckband 4 dargestellt.
Die Laufschaufel 3 ist gegenüber der Einlaufdichtung 12, und somit gegenüber dem umgebenden Gehäuse 30 und den Leiträdern 1,2, die als Stator bezeichnet werden können, eindeutig positioniert. Allerdings kann sich der mit dem Laufrad 3 verbundene Rotor (in Fig. 1 nicht dargestellt) relativ zum Stator axial innerhalb bestimmter Grenzen bewegen, beispielsweise aufgrund eines Spiels der Lagerungen, thermischen Ausdehnungen und anderen Faktoren. Aufgrund dieser Axialbewegungen des Rotors und des Laufrads 3 können nur wenige Dichtspitzen 5 am Deckband 4 angeordnet werden. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind exemplarisch zwei Dichtspitzen 5 angeordnet. Aufgrund dieser begrenzten Anzahl von Dichtspitzen 5 ist die Dichtwirkung, in Abhängigkeit vom Laufspalt 6, begrenzt.
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem 100 einer Turbinenstufe mit einer Einlaufdichtung 12, zwei umlaufenden Dichtspitzen 5 und einer mit einem Gehäuse 30 verbundenen statischen Dichtspitze 20 im Längsschnitt.
Die Anordnung des stromaufseitigen Leitrads 1, des stromabseitigen Leitrads 2, der Laufschaufel 3, des Gehäuseabschnitts 10 und des Dichtungsträgers 11 (der in Fig. 2 anders ausgestaltet ist als in Fig. 1) ist analog zur Beschreibung der Fig. 1. Die beiden rotierenden Dichtspitzen 5 sind auf dem Deckband 5 axial versetzt gegenüber der Anordnung der Fig. 1 angeordnet. Zusätzlich ist eine gehäuseseitige, statische Dichtspitze 20 gegenüber dem stromabseitigen Endbereich des Deckbands 4 eingebaut. Die statische Dichtspitze 20 ist in der exemplarischen Ausführungsform der Fig. 2 mittels eines Halteelements 21 an dem statischen Gehäuseabschnitt 10 und der gehäuseseitigen Halterung des stromabseitigen Leitrads 2 fixiert. Die Fixierung kann als Klemmung ausgeführt sein. Ein zusätzliche stoffschlüssige Fixierung der statischen Dichtspitze 20 am Halteelement 21 und/oder des Halteelements 21 am Gehäuseabschnitt 10, beispielsweise mittels einer Löt- oder Schweißverbindung, ist optional möglich.
Weiterhin ist in Fig. 2 ein sogenannter Raumbegrenzer 22 in das Gehäuse 30 innenseitig eingebracht. Der Raumbegrenzer 22 kann beispielsweise zur Verringerung von Strömungsverlusten beitragen.
Die zusätzliche statische Dichtspitze 20 kann die Leckage resultierend aus dem Laufspalt 6 vorteilhaft reduzieren. Weiterhin kann sich die Drehrichtung des sich stromab der statischen Dichtspitze 20 bildenden Wirbels W gegenüber der Drehrichtung des Dichtungssystems 100' aus der Fig. 1 umkehren, so dass eine verlustarme Mischung mit dem Hauptstrom H vorteilhaft möglich wird. Die verlustarme Mischung mit dem Hauptstrom H wird durch die gleiche parallele Strömungsrichtung des Hauptstroms H mit der Strömungsrichtung des unmittelbar austretenden Wirbels in Fig. 2 gezeigt. Durch diese beiden Effekte der statischen Dichtspitze 20, Reduktion der Leckage und verlustarme Mischung des Wirbels W mit dem Hauptstrom H, können die Gesamtverluste der Turbinenstufe vorteilhaft reduziert werden.
Die statische Dichtspitze 20 bildet zusammen mit dem hinteren Abschnitt des Deckbandes 4 eine zusätzliche Dichtstelle zu den beiden durch die Dichtspitzen 5 und der Einlaufdichtung 12 gebildeten Dichtstellen.
Die vordere, stromaufseitige Dichtspitze 5 ist, bezogen auf die Radialrichtung r, entgegen der Hauptströmungsrichtung, die in Axialrichtung ausgerichtet ist, geneigt. Die Neigung beträgt ca. 30 Grad. Mittels einer geneigten Dichtspitze 5 kann beispielsweise die Leckageströmung durch den Laufspalt 6 beeinflusst werden.
Die beiden Dichtspitzen 5 sind radial versetzt angeordnet und bilden damit näherungsweise den sich aufweitenden Strömungskanals der Turbinenstufe ab.
Das Deckband 4 ist über den Umfang u segmentiert ausgeführt. Die Segmente werden oft als sogenannte z-Deckbänder ausgeführt (siehe Fig. 4, die als Ansicht B aus Fig. 2 dargestellt ist), da ihre Umfangsränder nicht geradlinig in Axialrichtung der Strömungsmaschine, sondern im Wesentlichen z-fömig ausgebildet sind. Mit dieser z-Form ist es möglich, im montierten Zustand die in Umfangsrichtung benachbarten Laufschaufeln 3 einer Rotorstufe untereinander zu verspannen. In der Ansicht der Fig. 2 blickt man orthogonal auf den Umfangsrand eines Segments des Deckbands 4. Die stromabwärtige Hälfte dieses Umfangrandes ist mit einer Verschleißschutzschicht 8 versehen, welche in den Figuren 2, 3 und 4 dunkel dargestellt ist. Die Verschleißschutzsicht 8 ist dabei in Axialrichtung der Strömungsmaschine nicht nur in dem mittleren Bereich des z-fömigen Umfangsrandes des Deckbandes 4 aufgebracht, in welchem durch Kontakt im Wesentlichen die Verspannungskräfte zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Laufschaufeln 3 am Deckband 4 übertragen werden, sondern die Verschleißschutzschicht 8 erstreckt sich axial noch weiter nach hinten. Insbesondere erstreckt sich die Verschleißschutzschicht 8 in Axialrichtung der Strömungsmaschine mindestens bis zu der Axialposition der statischen Dichtspitze 20 nach hinten. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Verschleißschutzschicht 8 sogar bis an das stromabwärtige Ende des Deckbands 4.
In Radialrichtung r ragt die Verschleißschutzschicht 8 über die Oberfläche des Deckbands 4 hinaus. Dies hat den Vorteil, dass bei einem ungewollten Kontakt der statischen Dichtspitze 20 mit dem Deckband 4, zum Beispiel bei einem harten Aufsetzen eines mit der Strömungsmaschine als Triebwerk versehenen Flugzeuges, die statischen Dichtspitze 20 nicht das Deckband 4 selbst, d.h. das Grundmaterial des Deckbandes berührt und dieses eventuell beschädigt, sondern lediglich die Verschleißschutzschicht 8. Wenn das Material der Verschleißschutzschicht 8 eine höhere Härte als das Material der statischen Dichtspitze 20 aufweist, wird die statische Dichtspitze 20 von dem rotierenden Laufrad 3 abgetragen oder abgeschliffen. Die statische Dichtspitze 20 kann sich beispielsweise in der Radialrichtung r leicht verkürzen. Auf diese Weise wird eine Beschädigung am Laufrad 3 verhindert. Ein Abschleifen der statischen Dichtspitze 20 durch die Verschleißschutzschicht 8 ist demgegenüber weit weniger kritisch und die statische Dichtspitze 20 kann zudem relativ einfach und kostengünstig ausgewechselt werden.
Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Dichtungssystem 100 in einer Querschnittsebene (Schnitt A - A, siehe Fig. 2) mit der statischen Dichtspitze 20, dem Dichtungsträger 11, dem Laufrad 3 mit Deckband 4 und einer Verschleißschutzschicht 8 zwischen den Deckbandsegmenten.
Das Deckband 4 ist segmentiert. Das sogenannte z-Deckband weist an den Kontaktstellen der aneinanderstoßenden Segmente Verschleißschutzschichten 7, 8 auf. Insbesondere ragt die Verschleißschutzschicht 8, welche sich in Axialrichtung weiter stromabwärts erstreckt als die Verschleißschutzschicht 7, geringfügig über die radiale Ausdehnung der Deckbandoberfläche hinaus. In Fig. 3 ist dies durch die Absatzhöhe 23 dargestellt. Aufgrund dieser Erhöhung der Verschleißschutzschicht 8 über die Oberfläche des Deckbands 4 berührt die statische Dichtspitze 20, beispielsweise im zuvor genannten Fall, zunächst die erhöhte Verschleißschutzschicht 8. Bei einer geringeren Härte des Werkstoffs der statischen Dichtspitze 20 gegenüber der Härte des Werkstoffs der Verschleißschutzschicht 8 wird die der statischen Dichtspitze 20 abgeschliffen oder verformt, ohne jedoch das Deckband 4 selbst zu berühren und zu beschädigen. Mit anderen Worten kann hier auf synergetische Weise die für den Kontakt zweier in Umfangsrichtung benachbarter Deckbänder 4 verwendete Verschleißschutzschicht 8 genutzt werden, um eine mögliche Beschädigung des Grundmaterials des Deckbands 4 durch einen Kontakt mit der statischen Dichtspitze 20 zu verhindern. Dazu ist die Verschleißschutzschicht 8 in axialer und radialer Richtung der Strömungsmaschine lediglich geringfügig größer zu dimensionieren, als dies sonst der Fall wäre.
Fig. 4 zeigt das Deckband 4 in einer Ansicht B von radial außen (siehe Fig. 2) mit den Verschleißschutzschichten 7, 8. Die Profilform der Laufschaufelform des Laufrads 3 ist unterhalb des Deckbandes schematisch angedeutet.
Die Dichtspitzen 5 des Deckbandes 4 ragen aus der Darstellungsebene heraus. Die Verschleißschutzschichten 7, 8 befinden sich an den Kontaktflächen des z-Deckbandes zu den in Umfangsrichtung angrenzenden (nicht dargestellten) Segmenten weiterer Schaufeldeckbänder. Die schattiert dargestellte Verschleißschutzschicht 8 wurde bereits in der Schnittebene der Fig. 2 gegenüber der statischen Dichtspitze 20 gezeigt.
Fig. 5a,b zeigen zwei unterschiedliche Verläufe der radial inneren Kante, bzw. Innenkante der statischen Dichtspitze 20 in Umfangsrichtung u in einer Ansicht C (siehe Fig. 3). In Fig. 5a ist eine gerade Verlaufsform dargestellt und in Fig. 5b eine Wellenform. Die Wellenform bietet den Vorteil, dass im Kontaktfall der statischen Dichtspitze 20 mit der Verschleißschutzschicht 8 des Deckbandes 4 ein axial größerer Bereich der Verschleißschutzschicht 8 für ein Abschleifen oder ein Verformen der statischen Dichtspitze 20 nutzbar ist. Hierdurch wird bei einem Kontakt der statischen Dichtspitze 20 mit der Verschleißschutzschicht 8 der Wärmeeintrag auf ein größeres Materialvolumen verteilt, wodurch die Verschleißschutzschicht 8 lokal geringer belastet wird.

Bezugszeichenliste

a: axial; Axialrichtung
r: radial; Radialrichtung
u: Umfangsrichtung
H: Durchströmungsrichtung, Hauptstrom
W: Wirbel
100, 100': Dichtungssystem
1: stromaufseitiges Leitrad
2: stromabseitiges Leitrad
3: Laufrad, Laufschaufel
4: Deckband
5: Dichtspitze des Deckbands
6: Laufspalt
7, 8, 13: Verschleißschutz
10: Gehäuseabschnitt (statisches Dichtungsteil)
11: Dichtungsträger
12: Einlaufdichtung, Einlaufbelag
20: statische Dichtspitze
21: Halteelement
22: Raumbegrenzer
23: Absatzhöhe der Verschleißschutzschicht
30: Gehäuse

Claims

Dichtungssystem (100) für eine axiale Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine, umfassend ein Laufrad (3) mit einem radial außen angeordneten Deckband (4) und ein das Laufrad (3) umgebendes Gehäuse (30), wobei zwischen dem Deckband (4) und dem Gehäuse (30) ein Spalt (6) angeordnet ist, und wobei der Spalt (6) mittels einer mit dem Gehäuse (30) verbundenen Dichtung (12) und wenigstens einer am Deckband (4), gegenüber der Dichtung (12) angeordneten Dichtspitze (5) zum Verringern der Strömungsverluste durch den Spalt (6) begrenzt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
am stromabseitigen Endbereich der Dichtung (12) eine weitere, mit dem Gehäuse (30) verbundene statische Dichtspitze (20) zum Beeinflussen der Strömung durch den Spalt und/oder zum Beeinflussen der Strömung stromab der statischen Dichtspitze (20) angeordnet ist.
Dichtungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Dichtung (12) eine Einlaufdichtung (12) ist.
Dichtungssystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Deckband (4) wenigstens zwei Dichtspitzen (5) aufweist.
Dichtungssystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die wenigstens eine Dichtspitze (5) des Deckbandes (4) stromaufseitig geneigt ist.
Dichtungssystem (100) nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei der Winkel (w) zwischen der Radialrichtung (r) und der Achsrichtung (a) wenigstens 15 Grad beträgt.
Dichtungssystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Deckband (4) im in Radialrichtung (r) gegenüberliegenden Bereich der statischen Dichtspitze (20) einen Verschleißschutz (8) aufweist.
Dichtungssystem (100) nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei der Verschleißschutz (8) eine Beschichtung des Deckbandes (4) ist.
Dichtungssystem (100) nach einem der beiden vorangegangenen Ansprüche, wobei der Werkstoff der statischen Dichtspitze (20) eine geringere Härte gegenüber der Härte der Verschleißschutzschicht (8) aufweist.
Dichtungssystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Laufrad (3) ein Turbinenlaufrad, insbesondere ein Niederdruckturbinenlaufrad, ist.
Dichtungssystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Deckband (4) über dem Umfang (u) des Laufrads (3) segmentiert ist.
Dichtungssystem (100) nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei die Kontaktbereiche der Segmente (13) in Umfangsrichtung (u) den Verschleißschutz (8) aufweisen.
Dichtungssystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die statische Dichtspitze (20) mittels einem Halteelement (21) formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Gehäuse (30) verbunden ist.
Dichtungssystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die statische Dichtspitze (20) an der dem Deckband (4) gegenüberliegenden Seite eine in Umfangsrichtung (u) variierende, insbesondere wellenförmige Struktur (15) aufweist.
Axiale Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit wenigstens einer Niederdruckturbinenstufe, wobei die Niederdruckturbinenstufe ein Dichtungssystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche umfasst.
Axiale Strömungsmaschine nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei die Strömungsmaschine ein Flugtriebwerk ist.