EP4649227A1 - Dichtungssegment für eine strömungsmaschine - Google Patents

Dichtungssegment für eine strömungsmaschine

Info

Publication number
EP4649227A1
EP4649227A1 EP23758559.1A EP23758559A EP4649227A1 EP 4649227 A1 EP4649227 A1 EP 4649227A1 EP 23758559 A EP23758559 A EP 23758559A EP 4649227 A1 EP4649227 A1 EP 4649227A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sealing
sealing segment
recesses
flow
segment
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23758559.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arthur ALDER
Thomas BROL
Simon Hecker
Sven JERABECK
Christian Musch
Tobias Rühle
Norbert Thamm
Michael Wechsung
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4649227A1 publication Critical patent/EP4649227A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • 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
    • 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
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/17—Purpose of the control system to control boundary layer

Definitions

  • the invention relates to a sealing segment for sealing a gap between a component rotating about a rotation axis and a stationary component, wherein a flow medium flowing between the sealing segment and the rotating component during operation has an axial and tangential flow component with respect to the rotation axis, wherein the sealing segment has an underside opposite the rotating component, wherein the rotating component has a sealing tip, wherein the sealing tip is formed opposite the underside.
  • Turbomachines within the meaning of this invention are, for example, steam turbines, gas turbines or compressors, whereby the invention preferably relates to steam turbines.
  • Turbomachines are characterized by a flow medium.
  • the collective term "turbomachines” includes water turbines, steam and gas turbines, wind turbines, centrifugal pumps and centrifugal compressors as well as propellers. What all of these machines have in common is that they serve the purpose of extracting energy from a fluid in order to drive another machine or, conversely, of supplying energy to a fluid in order to increase its pressure.
  • the energy conversion is indirect and preferably takes the route via the kinetic energy of the fluid.
  • a flow medium flows in a main flow direction during operation, which essentially corresponds to the direction of the axis of rotation.
  • the flow medium should only flow through a so-called flow channel, which has so-called guide and rotor blades.
  • the flow channel is usually formed from various guide and rotor blades arranged one behind the other.
  • the flow medium flows through the flow channel past the guide blades and rotor blades, whereby the kinetic energy is converted into rotational energy, which causes the rotor to rotate. Since the rotor movement takes place in a housing, there are gaps between the housing and the rotor which should be made as small as possible. Nevertheless, gaps cannot be avoided, which leads to undesirable flow through the gaps.
  • a first approach is to arrange so-called sealing lips or sealing tips between the rotating and the stationary components.
  • the sealing lips or sealing tips are arranged rotationally symmetrically and act as a barrier to the secondary flow.
  • the secondary flow leads to another effect in fluid machine construction which is undesirable.
  • the secondary flow through the gaps can cause or dampen rotor vibrations that are present during operation, which can occur depending on the prevailing boundary conditions.
  • this effect is referred to as gap excitation.
  • steam turbine construction in particular, this effect is referred to as steam agitation.
  • the flow medium portion branching off towards the gap has various directional components, in addition to the main directional component that runs along the main flow channel, there are also directional components that are directed in the circumferential direction.
  • This secondary flow component directed in the circumferential direction is also referred to as swirl.
  • the gap excitation or steam agitation depends on the direction and size of this swirl of the secondary flow when it enters the gap.
  • the Secondary flow in turbines has the effect that it has an activating rather than a dampening effect.
  • swirl breaker refers to components that form a barrier for the secondary flow flowing in the circumferential direction, which is referred to as swirl.
  • a brake fluid can be injected into the secondary flow in such a way that the swirl is minimized or prevented.
  • the swirl breakers are made from individual components and are individually incorporated into the housing in a suitable manner in the circumferential direction. This leads to a high manufacturing effort, which leads to an increased production time.
  • water vapor is used as the flow medium.
  • the water vapor forms a mass flow and has thermal energy which is ultimately converted into rotational energy in the steam turbine.
  • This rotational energy causes a rotor mounted so that it can rotate about an axis of rotation to rotate at any frequency.
  • the majority of the mass flow flows along so-called guide vanes and rotor blades, with a certain portion flowing as a lost mass flow between the stationary and rotating components.
  • This mass flow flowing between the rotating and stationary components is not used to deliver work between the guide vanes and rotor blades, which results in a loss of efficiency. This lost mass flow must be reduced.
  • the flow direction can be both an axial direction pointing in the rotation axis and a circumferential direction. direction.
  • Too high a swirl is characterized by the fact that the tangential speed of the loss mass flow is comparatively high, which could incite an oscillation, which can have an unfavorable effect on the rotor dynamic stability.
  • the swirl breakers described above are used, which are designed as grooves milled into the housing, as well as flow baffles that divert the flow direction of the lost mass flow. It is also known to use so-called flow dam seals, which are also referred to as axially running sealing tips, to change the flow direction. Obstacles in the flow path are also suitable means of reducing the tangential flow component of the lost mass flow. Brush seals, for example, can represent such an obstacle.
  • the inlet swirl in front of the seal should be kept as small as possible or even imposed against the direction of rotor rotation when the fluid flow enters the seal.
  • swirl breakers are used for this purpose, which usually consist of a large number of small fins and direct the flow as desired.
  • a sealing segment for sealing a gap between a component rotating about an axis of rotation and a stationary component, wherein a flow medium flowing between the sealing segment and the rotating component during operation has an axial and tangential flow component with respect to the axis of rotation, wherein the sealing segment has an underside opposite the rotating component, wherein the rotating component has a sealing tip, wherein the sealing tip is formed opposite the underside, wherein the underside has a region which is arranged opposite the sealing tip, wherein the region has recesses in a circumferential direction viewed with respect to the axis of rotation.
  • a new type of twist breaker design is therefore presented.
  • the recesses provide an effective way of forming a twist breaker.
  • the recesses are arranged at equidistant intervals in the circumferential direction.
  • sealing tips are arranged on the underside, wherein the sealing tips are arranged one behind the other along the axis of rotation.
  • the rotating component also has several sealing tips opposite the underside, wherein the sealing tips are arranged one behind the other along the axis of rotation.
  • the recesses are arranged opposite the last sealing tip on the rotating component, viewed along the axis of rotation in the direction of flow.
  • the swirl breakers are thus arranged opposite the last sealing tip. This leads to a particularly effective reduction in the secondary flow.
  • the recesses are circular when viewed in the direction of rotation, or more precisely semi-circular. This is particularly easy to produce. If the distance between the underside and the surface of the rotating component is L, the diameter D of the circular recesses should be between 3xL and 1 OxL.
  • the recesses are spaced apart in the circumferential direction in such a way that a web with a width d is created between the recesses.
  • the recesses are inclined in the radial direction relative to the axis of rotation by an angle ß.
  • Particularly advantageous flow conditions can be achieved if the recesses are designed such that the following applies: 0 ⁇
  • the recess is designed such that the tangent of the recess on the web is inclined by an angle a with respect to the radial direction.
  • Particularly advantageous flow conditions can be achieved if the recesses are designed such that the following applies: 0 ⁇
  • the swirl breaker consists of large axial recesses in relation to the size of a labyrinth seal chamber or recesses inclined by up to 20° around the axial or circumferential axis in the standing part of the seal.
  • the diameter is three to ten times the distance from the rotor to the housing.
  • the number of recesses in the circumferential direction is to be dimensioned such that radial webs are created.
  • the webs therefore have a width of zero to five times the diameter of the axial recesses.
  • the recess may also deviate from a circular shape and be square, oval or rounded.
  • the sealing tip arranged on the rotor side which must be applied below the axial recesses, throws the fluid radially outwards into the large chambers in the stator.
  • the circumferential swirl dissipates in these chambers because the fluid is thrown against the flanks of the axial recesses, which do not permit any circumferential mass flow.
  • the fluid which now remains in the circumferential direction, flows back into the seal and is dragged along by the rotor.
  • the sealing segment according to the invention can be manufactured quickly and inexpensively.
  • the swirl breaker according to the invention is efficient and can remove the swirl almost completely from the swirl flow.
  • it can be used several times within a seal - because of its small dimensions - whereby the entire flow regime in the seal can be trimmed.
  • FIG 1 is a perspective view of a sealing segment
  • FIG 2 is a plan view of a sealing segment
  • FIG 3 is a side view of a sealing segment
  • FIG 4 is a side view of a sealing segment in an alternative embodiment;
  • the sealing segment 1 shown in Fig. 1 is used, for example, in a steam turbine as an embodiment of a turbomachine.
  • a sealing segment 1 is arranged in a housing (not shown) which is arranged around a component 2 which rotates about a rotation axis 3 and which can be designed as a rotor.
  • the rotor shown in Fig. 1 rotates, for example, in the clockwise direction of rotation 4 during operation.
  • the sealing segment 1 is designed in a circumferential direction 5. This means that the sealing segment 1 essentially follows the circumferential direction 5, i.e. is curved.
  • grooves are arranged which are designed to receive sealing tips 8.
  • the sealing segment 1 is designed to seal a gap 16 between the rotating component 2 and a stationary component (not shown).
  • Grooves are also arranged on the upper side 7 of the rotating component 2 and are designed to receive sealing tips 9 .
  • the sealing segment 1 has an end face 10.
  • a flow medium flows in a flow direction 11 between the sealing segment 1 and the rotating component 2 on the upper side 7 through the labyrinth seal formed with sealing tips 8 and 9.
  • the flow has a swirl 13 in the circumferential direction 5.
  • Swirl breakers 14 in the form of recesses 15 are arranged opposite a last sealing tip 8a as seen in the flow direction 11.
  • the swirl breakers 14 are created by removing material from the underside 6 of the sealing segment 1, which creates the recesses 15.
  • the swirl breakers 14 are intended to counteract the swirl 13 in the flow and thus represent a barrier that counteracts a flow in the circumferential direction 5.
  • FIGS 2, 3 and 4 show embodiments of the swirl breakers 14 and recesses 15 and are described below.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of the end of the sealing segment 1.
  • the recesses 15 are arranged at equidistant intervals in the circumferential direction 5. This means that a web 17 is formed between two recesses 15.
  • the web 17 acts as an elevation to counteract the flow (not shown in Figure 2) and thus reduces flow in the circumferential direction 5.
  • the recesses 15 are therefore milled into the sealing segment 1 at an angle ß using suitable milling measures, removing material.
  • the amount of the angle ß has values between 0 and 20°. Milling is essentially carried out close to the surface, so that a bulge is created.
  • the milling measure creates the webs 17, which have a width d.
  • the means for reducing the tangential flow component are realized as milled recesses.
  • Figure 3 shows a side view of the sealing segment 1 .
  • the shape of the recesses 15 corresponds to a circle or a circular section with a diameter D .
  • D 2 *R .
  • the distance between the rotating component 2 and the underside is L (not shown in Figure 3 ).
  • D ( 3...10 ) x L .
  • the diameter D of the recess 15 is three to ten times the distance L from the rotor 2 to the sealing segment 1 .
  • the number in the circumferential direction 5 is to be dimensioned such that radial webs 17 are created.
  • the webs 17 therefore have a width d of zero to five times the diameter D of the axial recesses 15 .
  • the recess 15 can also deviate from the circular shape and be square, oval or rounded, which is described in more detail in Figure 4 .
  • the recesses 15 in Figure 4 deviate from the circular shape and are rounded so that a tangent 18 can be created at the transition to the web 17.
  • the tangent 18 and the radial direction 19 are arranged at an angle a to one another. The following applies to the value of the angle a: 0 ⁇ a ⁇ 20 °.
  • only one web 17 is provided with the reference symbol d in Figure 4 and the angle a is only shown for one recess 15.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Dichtungssegment (1) zum Abdichten eines Spaltes (16) zwischen einem um eine Rotationsachse (3) rotierenden Bauteil (2) und einem feststehenden Bauteil, wobei ein im Betrieb zwischen dem Dichtungssegment (1) und dem rotierenden Bauteil (2) strömendes Strömungsmedium eine bezüglich der Rotationsachse (3) axiale und tangentiale Strömungskomponente aufweist, wobei das Dichtungssegment (1) eine dem rotierenden Bauteil (2) gegenüberliegende Unterseite (6) aufweist, wobei das rotierende Bauteil (2) eine Dichtspitze (8, 8a) aufweist, wobei die Dichtspitze (8, 8a) genüberliegend zur Unterseite (6) ausgebildet ist, wobei die Unterseite (6) einen Bereich aufweist, der gegenüberliegend der Dichtspitze (8, 8a) angeordnet ist, wobei der Bereich Ausnehmungen (15) in einer bezogen auf die Rotationsachse (3) betrachteten Umfangsrichtung (5) aufweist.

Description

Beschreibung
Dichtungssegment für eine Strömungsmaschine
Die Erfindung betri f ft ein Dichtungssegment zum Abdichten eines Spaltes zwischen einem um eine Rotationsachse rotierenden Bauteil und einem feststehenden Bauteil , wobei ein im Betrieb zwischen dem Dichtungssegment und dem rotierenden Bauteil strömendes Strömungsmedium eine bezüglich der Rotationsachse axiale und tangentiale Strömungskomponente aufweist , wobei das Dichtungssegment eine dem rotierenden Bauteil gegenüberliegende Unterseite aufweist , wobei das rotierende Bauteil eine Dichtspitze aufweist , wobei die Dichtspitze gegenüberliegend zur Unterseite ausgebildet ist .
Strömungsmaschinen im Sinne dieser Erfindung sind beispielsweise Dampfturbinen, Gasturbinen oder Verdichter, wobei sich die Erfindung vorzugsweise auf Dampfturbinen bezieht . Strömungsmaschinen zeichnen sich durch ein Strömungsmedium aus . Unter der Sammelbezeichnung " Strömungsmaschinen" werden Wasserturbinen, Dampf- und Gasturbinen, Windräder, Kreiselpumpen und Kreiselverdichter sowie Propeller zusammengefasst . Allen diesen Maschinen ist gemeinsam, dass sie dem Zweck dienen, einem Fluid Energie zu entziehen, um damit eine andere Maschine anzutreiben oder umgekehrt , einem Fluid Energie zuzuführen, um dessen Druck zu erhöhen . In Strömungsmaschinen ist die Energieumsetzung indirekt und nimmt vorzugsweise den Weg über die kinetische Energie des Fluids .
In Strömungsmaschinen, wie z . B . bei Dampfturbinen strömt im Betrieb ein Strömungsmedium in einer Hauptströmungsrichtung, die im Wesentlichen der Richtung der Rotationsachse entspricht . Das Strömungsmedium soll idealer Weise lediglich durch einen so genannten Strömungskanal strömen, der so genannte Leit- und Lauf schaufeln aufweist . Üblicherweise wird der Strömungskanal aus verschiedenen hintereinander angeordneten Leit- und Lauf schaufeln gebildet . Das Strömungsmedium strömt durch den Strömungskanal an den Leit- und Laufschaufeln vorbei , wobei die kinetische Energie in Rotationsenergie umgewandelt wird, was zu einer Rotation des Rotors führt . Da eine Bewegung des Rotors in einem Gehäuse stattfindet , sind Spalte zwischen dem Gehäuse und dem Rotor vorhanden, die so gering wie möglich ausgeführt werden sollten . Dennoch können Spalte nicht vermieden werden, was zu einer unerwünschten Strömung durch die Spalte führt . Die unerwünschte Strömung ergibt sich aus der Hauptströmung, wobei ein Teil aus der Hauptströmung abzweigt und durch den Spalt strömt . Diese Spaltströmung kann als Sekundärströmung bezeichnet werden, wobei es Ziel bei j eder Auslegung einer Strömungsmaschine ist , die Sekundärströmung so gering wie möglich zu halten . Daher existieren verschiedene Ansätze , um die Sekundärströmung zu minimieren . Ein erster Ansatz besteht darin, so genannte Dichtlippen oder Dichtspitzen zwischen den rotierenden und den fest stehenden Komponenten anzuordnen . Die Dichtlippen oder Dichtspitzen sind rotationssymmetrisch angeordnet und wirken sozusagen als Barriere für die Sekundärströmung . Somit wird eine im Wesentlichen zur Hauptströmung strömende Sekundärströmung abgebremst .
Die Sekundärströmung führt allerdings im Strömungsmaschinenbau zu einem weiteren Ef fekt , der unerwünscht ist . Die Sekundärströmung durch die Spalte kann im Betrieb vorhandene Rotorschwingungen hervorbringen oder abdämpfen, was j e nach vorherrschenden Randbedingungen zum Vorschein tritt . Dieser Ef fekt wird im Strömungsmaschinenbau als Spalterregung bezeichnet . Speziell im Dampfturbinenbau wird dieser Ef fekt als Dampf anfachung bezeichnet . Da der in Richtung Spalt abzweigende Strömungsmediumanteil verschiedene Richtungskomponenten aufweist , sind neben der Hauptrichtungskomponente , die entlang des Hauptströmungskanals führt auch Richtungskomponenten vorhanden, die in Umfangsrichtung gerichtet sind . Diese in Umfangsrichtung gerichtete Sekundärströmungskomponente wird auch als Drall bezeichnet . Die Spalterregung bzw . Dampfanfa- chung ist abhängig von Richtung und Größe dieses Dralls der Sekundärströmung beim Eintritt in den Spalt . Generell hat die Sekundärströmung bei Turbinen den Ef fekt , dass eher eine anfachende Wirkung statt einer dämpfenden erfolgt .
Diese anfachende Wirkung ist störend und es sind Bestrebungen vorhanden, diese Störung zu verhindern . Dabei ist es bekannt Drallbrecher in unterschiedlichen Bauformen einzusetzen .
Unter Drallbrecher werden hierbei Komponenten verstanden, die eine Barriere bilden für die in Umfangsrichtung strömende Sekundärströmung, die als Drall bezeichnet wird .
Alternativ dazu oder zusätzlich kann ein Brems fluid derart in die Sekundärströmung eingeblasen werden, dass dadurch der Drall minimiert bzw . verhindert wird .
Die Drallbrecher werden aus einzelnen Komponenten ausgebildet und in geeigneter Weise in Umfangsrichtung einzeln in das Gehäuse eingearbeitet . Dies führt zu einem hohen Fertigungsaufwand, was zu einer erhöhten Fertigungs zeit führt .
In einer Dampfturbine als Aus führungs form einer Strömungsmaschine wird Wasserdampf als Strömungsmedium verwendet . Der Wasserdampf bildet einen Massenstrom und besitzt eine thermische Energie , die in der Dampfturbine schließlich in Rotationsenergie umgewandelt wird . Diese Rotationsenergie führt dazu, dass ein um eine Rotationsachse drehbar gelagerter Rotor mit beliebigen Frequenzen rotiert . Der Großteil des Massenstroms strömt entlang so genannter Leit- und Laufschaufeln, wobei ein gewisser Teil als Verlust-Massenstrom zwischen den feststehenden und den rotierenden Bauteilen strömt . Dieser zwischen dem rotierenden und dem feststehenden Bauteil strömende Massenstrom wird nicht zwischen den Leit- und Laufschaufeln arbeitsabgebend benutzt , wodurch ein Verlust des Wirkungsgrades die Folge ist . Diesen Verlust-Massenstrom gilt es zu verringern .
Ein weiteres Problem dieser Verlust-Massenströme liegt darin begründet , dass die Strömungsrichtung sowohl eine in Rotationsachse zeigende axiale Richtung als auch eine in Umfangs- richtung zeigende tangentiale Richtung aufweist . Das führt dazu, dass der Verlust-Massenstrom in Richtung der Rotationsbewegung eine Drehung mitführt , die wie oben beschrieben als Drall bezeichnet wird . Ein zu hoher Drall zeichnet sich dadurch aus , dass die Tangentialgeschwindigkeit des Verlust- Massenstroms vergleichsweise hoch ist , wodurch eine Schwingung angefacht werden könnte , was zu einer ungünstigen Beeinflussung der rotordynamischen Stabilität führen kann .
Es ist daher wünschenswert , den Drall des Verlust-Massenstroms zu verringern . Dazu werden die oben beschriebenen Drallbrecher verwendet , die als im Gehäuse eingefräste Nuten ausgebildet sind sowie Strömungsleitbleche , die die Strömungsrichtung des Verlust-Massenstroms umlenken . Des Weiteren ist es bekannt , sogenannte Flow Dam Seals zu verwenden, die auch als axial verlaufende Dichtspitzen bezeichnet werden, um die Strömungsrichtung zu verändern . Hindernisse im Strömungspfad sind ebenfalls geeignete Mittel , um die tangentiale Strömungskomponente des Verlust-Massenstromes zu verringern . Beispielsweise können Bürstendichtungen solch ein Hindernis darstellen .
Der Mittelpunkt einer Turbinenwelle verharrt in der Regel nicht statisch in einer bestimmten Position, sondern voll führt eine Orbitbewegung um ein gedachtes Zentrum . Sowohl kreis förmige als auch elliptische Bahnen sind hier möglich . Unter diesen Bedingungen treten in berührungs freien Dichtungen von Turbinen, wie zum Beispiel an Deckbändern von Turbinenstufen oder Wellendichtungen, die an den Wellenenden oder auch in der Maschinenmitte existieren, abhängig von zum Beispiel der Drehzahl , Orbit frequenz , Umfangsgeschwindigkeit des Fluids vor und innerhalb der Dichtung und/oder Labyrinthdichtungs-Gestaltung Strömungsphänomene auf , die Kräfte auf die Welle erzeugen, welche sich mit der Orbitbewegung mitbewegen . So ist es möglich, dass sich ein um die drehende Welle rotierendes Druckfeld ausprägen und im ungünstigen Fall zu einer unerwünschten Rotoranregung führen kann . Deshalb sollte der Eintrittsdrall vor der Dichtung so klein wie möglich gehalten werden oder gar entgegen der Rotordrehrichtung aufgeprägt werden, wenn der Fluidstrom in die Dichtung eintritt . Wie oben beschrieben, werden dafür Drallbrecher genutzt , die zumeist aus einer Viel zahl von kleinen Finnen bestehen und die Strömung wie gewünscht richten .
Wünschenswert wäre es die tangentiale Komponente des Verlust- Massenstroms mit einfachen Mitteln zu verringern .
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist , den Drall der Verlust-Massenströmung zu verringern .
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Dichtungssegment zum Abdichten eine Spaltes zwischen einem um eine Rotationsachse rotierenden Bauteil und einem feststehenden Bauteil , wobei ein im Betrieb zwischen dem Dichtungssegment und dem rotierenden Bauteil strömendes Strömungsmedium eine bezüglich der Rotationsachse axiale und tangentiale Strömungskomponente aufweist , wobei das Dichtungssegment eine dem rotierenden Bauteil gegenüberliegende Unterseite aufweist , wobei das rotierende Bauteil eine Dichtspitze aufweist , wobei die Dichtspitze genüberliegend zur Unterseite ausgebildet ist , wobei die Unterseite einen Bereich aufweist , der gegenüberliegend der Dichtspitze angeordnet ist , wobei der Bereich Ausnehmungen in einer bezogen auf die Rotationsachse betrachteten Umfangsrichtung aufweist .
Es wird somit eine neuartige Ausgestaltung eines Drallbrechers vorgestellt . Mit den Ausnehmungen entsteht eine wirksame Möglichkeit einen Drallbrecher aus zubilden .
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben . In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung sind die Ausnehmungen in äquidistanten Abständen in Umfangsrichtung angeordnet .
Dies führt zu zielgerichteten Strömungen sowie zu der Möglichkeit die Ausnehmungen einfacher herzustellen .
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind an der Unterseite mehrere Dichtspitzen angeordnet , wobei die Dichtspitzen entlang der Rotationsachse hintereinander angeordnet sind .
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das rotierende Bauteil ebenfalls mehrere Dichtspitzen gegenüberliegend zur Unterseite auf , wobei die Dichtspitzen entlang der Rotationsachse hintereinander angeordnet sind .
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung werden die Ausnehmungen an der entlang der Rotationsachse betrachteten in Strömungsrichtung gesehen letzten Dichtspitze auf dem rotierenden Bauteil gegenüberliegend angeordnet . Somit werden die Drallbrecher gegenüberliegend zur letzten Dichtspitze angeordnet . Dies führt zu einer besonders ef fektiven Verminderung der Sekundärströmung .
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Ausnehmungen in Rotationsrichtung gesehen kreis förmig, genaugenommen halbkreis förmig ausgebildet . Dies ist besonders einfach herzustellen . Wenn der Abstand zwischen der Unterseite und der Oberfläche des rotierenden Bauteils L beträgt , so sollte der Durchmesser D der kreis förmigen zwischen 3xL und l OxL liegen .
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Ausnehmungen in Umfangsrichtung derart beabstandet , dass ein Steg mit einer Breite d zwischen den Ausnehmungen entsteht . Besonders vorteilhafte Strömungsverhältnisse können erreicht werden, wenn der Steg so ausgebildet ist , dass folgendes gilt : d = 0 bis d = 5 x D . In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Ausnehmungen in radialer Richtung gesehen gegenüber der Rotationsachse um einen Winkel ß geneigt . Besonders vorteilhafte Strömungsverhältnisse können erreicht werden, wenn die Ausnehmungen so ausgebildet sind, dass folgendes gilt : 0 < | | < 20 ° .
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Ausnehmung derart ausgebildet , dass die Tangente der Ausnehmung am Steg gegenüber der radialen Richtung um einen Winkel a geneigt ist . Besonders vorteilhafte Strömungsverhältnisse können erreicht werden, wenn die Ausnehmungen so ausgebildet sind, dass folgendes gilt : 0 < | a | < 20 ° .
Erfindungsgemäß besteht der Drallbrecher aus in Relation zur Größe einer Labyrinthdichtungskammer großen axialen oder bis zu 20 ° um die Axial- oder Umfangsachse geneigten Ausnehmungen im stehenden Teil der Dichtung . Der Durchmesser beträgt das drei- bis zehnfache des Abstandes von Rotor zu Gehäuse . Die Anzahl der Ausnehmungen in Umfangsrichtung ist so zu bemessen, dass radiale Stege bestehen . Die Stege haben somit eine Breite von null bis zum fünf fachen des Durchmessers der axialen Ausnehmungen . Auch darf die Ausnehmung von der Kreis form abweichen und eckig, oval oder verrundet sein . Die rotorseitig angeordnete Dichtspitze , die unter den axialen Ausnehmungen appli ziert sein muss , schleudert das Fluid radial auswärts in die großen Kammern im Stator . In diesen Kammern dissipiert der Umfangsdrall , da das Fluid gegen die Flanken der axialen Ausnehmungen geschleudert werden, welche keinen Umfangsmassenstrom zulassen . Im weiteren Verlauf strömt das nun in Umfangsrichtung verharrende Fluid wieder in die Dichtung ein und wird vom Rotor angeschleppt .
Das erfindungsgemäß Dichtungssegment ist schnell und kostengünstig herstellbar . Der Erfindungsgemäße Drallbrecher ist ef fi zient und kann den Drall nahezu vollständig aus der Drallströmung entnehmen . Zudem ist er mehrfach innerhalb einer Dichtung einsetzbar - da klein in den Abmaßen - wodurch das gesamte Strömungsregime in der Dichtung vertrimmt werden kann .
Im Folgenden wird ein Aus führungsbeispiel der Erfindung anhand der folgenden Figuren näher erläutert .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Aus führungsbeispiele , die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden .
Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugs zeichen gekennzeichnet .
Aus führungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben . Diese sollen die Aus führungsbeispiele nicht maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt . Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen .
Es zeigen :
FIG 1 eine perspektivische Darstellung eines Dichtungssegments ;
FIG 2 eine Draufsicht auf ein Dichtungssegment ;
FIG 3 eine Seitenansicht eines Dichtungssegments ;
FIG 4 eine Seitenansicht eines Dichtungssegmentes in einer alternativen Aus führungs form; Das in der Fig 1 dargestellte Dichtungssegment 1 wird beispielsweise in einer Dampfturbine als Aus führungs form einer Strömungsmaschine eingesetzt . Solch ein Dichtungssegment 1 wird in einem Gehäuse (nicht dargestellt ) angeordnet , das um eine Rotationsachse 3 rotierendes Bauteil 2 , das als Rotor ausgeführt werden kann, angeordnet wird . Der in der Fig 1 dargestellte Rotor rotiert beispielhaft im Betrieb in die Drehrichtung 4 im Uhrzeigersinn . Das Dichtungssegment 1 wird in einer Umfangsrichtung 5 ausgebildet . Das bedeutet , dass das Dichtungssegment 1 im Wesentlichen der Umfangsrichtung 5 folgt , also gebogen ausgeführt ist . Auf einer Unterseite 6 , die im Betrieb gegenüber einer Oberseite 7 des rotierenden Bauteils 2 angeordnet ist , sind Nuten angeordnet , die zum Aufnehmen von Dichtspitzen 8 ausgebildet sind .
Das Dichtungssegment 1 ist zum Abdichten eines Spaltes 16 zwischen dem rotierenden Bauteil 2 und einem feststehenden Bauteil (nicht dargestellt ) ausgebildet .
Auf der Oberseite 7 des rotierenden Bauteils 2 sind ebenfalls Nuten angeordnet , die zum Aufnehmen von Dichtspitzen 9 ausgebildet sind .
Wie in Fig 1 dargestellt , entsteht dadurch eine Art Labyrinthdichtung zwischen dem Dichtungssegment 1 und dem rotierenden Bauteil 2 . Das Dichtungssegment 1 weist eine Stirnseite 10 auf . Im Betrieb strömt ein Strömungsmedium in einer Strömungsrichtung 11 zwischen dem Dichtungssegment 1 und dem rotierenden Bauteil 2 an der Oberseite 7 durch die mit Dichtspitzen 8 und 9 gebildete Labyrinthdichtung .
An dem endseitigen Ende 12 des Dichtungssegmentes 1 weist die Strömung einen Drall 13 in Umfangsrichtung 5 auf . Gegenüberliegend zu einem in Strömungsrichtung 11 gesehen letzten Dichtspitze 8a sind Drallbrecher 14 in Form von Ausnehmungen 15 angeordnet . Die Drallbrecher 14 entstehen durch Materialabtragung der Unterseite 6 des Dichtungssegmentes 1 wodurch die Ausnehmungen 15 entstehen . Die Drallbrecher 14 sollen hierbei dem Drall 13 in der Strömung entgegenwirken und somit eine Barriere darstellen, die einer Strömung in Umfangsrichtung 5 entgegenwirkt .
Die Figuren 2 , 3 und 4 zeigen Aus führungs formen der Drallbrecher 14 bzw . Ausnehmungen 15 und werden nachfolgend beschrieben .
Die Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Ende des Dichtungssegmentes 1 . Die Ausnehmungen 15 sind in der Umfangsrichtung 5 in äquidistanten Abständen angeordnet . Das bedeutet , dass zwischen zwei Ausnehmungen 15 ein Steg 17 ausgebildet ist . Der Steg 17 wirkt als Erhebung der Strömung ( in Figur 2 nicht dargestellt ) entgegen und vermindert somit ein Strömen in Umfangsrichtung 5 . Die Ausnehmungen 15 werden daher mit geeigneten Fräsmaßnahmen unter einem Winkel ß materialabtragend in das Dichtungssegment 1 eingefräst . Der Betrag des Winkels ß weist hierbei Werte zwischen 0 und 20 ° auf . Es wird im Wesentlichen oberflächennah gefräst , so dass eine Ausbuchtung entsteht . Durch die Fräsmaßnahme entstehen die Stege 17 , die eine Breite d aufweist . Sofern die Ausnehmung 15 einen Kreis bzw . Kreisausschnitt mit einem Durchmesser D darstellt , ist die Breite d der Stege durch folgende Gleichung bestimmt : d = 0 bis 5 x D . Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in der Figur 2 lediglich zwei Stege 17 mit dem Bezugs zeichen d versehen . Wie Figur 2 deutlich zeigt , sind die Ausnehmungen 15 über der im rotierenden Bauteil 2 angebrachten Dichtspitze 8a angeordnet .
Somit sind die Mittel zur Verringerung der tangentialen Strömungskomponente als Einfräsungen realisiert .
Die Figur 3 zeigt eine Seitenansicht des Dichtungssegmentes 1 . Die Form der Ausnehmungen 15 entsprechen einem Kreis bzw . einem Kreisausschnitt mit einem Durchmesser D . Es gilt : D=2 *R . Der Abstand zwischen dem rotierenden Bauteil 2 und der Unterseite beträgt L ( In der Figur 3 nicht dargestellt ) . Für den Abstand L und dem Durchmesser D gilt : D = ( 3...10 ) x L . Mit anderen Worten : Der Durchmesser D der Ausnehmung 15 beträgt das drei- bis zehnfache des Abstandes L von Rotor 2 zum Dichtsegment 1 . Die Anzahl in Umfangsrichtung 5 ist so zu bemessen, dass radiale Stege 17 entstehen . Die Stege 17 haben somit eine Breite d von null bis zum fünf fachen des Durchmessers D der axialen Ausnehmungen 15 . Auch darf die Ausnehmung 15 von der Kreis form abweichen und eckig, oval oder verrundet sein, was in der Figur 4 nun näher beschrieben wird . Die Ausnehmungen 15 in der Figur 4 weichen von der kreis form ab und sind so verrundet , dass am Ort des Überganges zum Steg 17 ein Tangente 18 angelegt werden kann . Die Tangente 18 und die radiale Richtung 19 sind unter einem Winkel a zueinander angeordnet . Für den Betrag des Winkels a gilt : 0 < a < 20 ° . Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der Figur 4 lediglich ein Steg 17 mit dem Bezugs zeichen d versehen und nur für eine Ausnehmung 15 der Winkel a dargestellt .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Aus führungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Varianten können vom Fachmann heraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Dichtungssegment (1) zum Abdichten eines Spaltes (16) zwischen einem um eine Rotationsachse (3) rotierenden Bauteil (2) und einem feststehenden Bauteil, wobei ein im Betrieb zwischen dem Dichtungssegment (1) und dem rotierenden Bauteil (2) strömendes Strömungsmedium eine bezüglich der Rotationsachse (3) axiale und tangentiale Strömungskomponente aufweist, wobei das Dichtungssegment (1) eine dem rotierenden Bauteil
(2) gegenüberliegende Unterseite (6) aufweist, wobei das rotierende Bauteil (2) eine Dichtspitze (8, 8a) aufweist, wobei die Dichtspitze (8, 8a) genüberliegend zur Unterseite (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (6) einen Bereich aufweist, der gegenüberliegend der Dichtspitze (8, 8a) angeordnet ist, wobei der Bereich Ausnehmungen (15) in einer bezogen auf die Rotationsachse (3) betrachteten Umfangsrichtung (5) aufweist .
2. Dichtungssegment (1) nach Anspruch 1, wobei die Ausnehmungen (15) in äquidistanten Abständen in Umfangsrichtung (5) angeordnet sind.
3. Dichtungssegment (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Dichtungssegment mehrere Dichtspitzen (9) an der Unterseite (6) aufweist.
4. Dichtungssegment (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtspitzen (8, 8a, 9) entlang der Rotationsachse (3) hintereinander angeordnet sind.
5. Dichtungssegment (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das rotierende Bauteil (2) mehrere Dichtspitzen (8, 8a) gegenüberliegend zur Unterseite (6) aufweist, wobei die Dichtspitzen (8, 8a) entlang der Rotationsachse (3) hintereinander angeordnet sind.
6. Dichtungssegment (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer entlang der Rotationsachse (3) betrachteten in Strömungsrichtung (11) gesehen letzten Dichtspitze (8a) auf dem rotierenden Bauteil (2) , wobei die Ausnehmungen (15) gegenüberliegend zur letzten Dichtspitze (8a) angeordnet sind .
7. Dichtungssegment (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmungen (15) in Richtung Rotationsachse (3) gesehen, eine im Wesentlichen kreisförmige Form aufweisen.
8. Dichtungssegment (1) nach Anspruch 7, wobei die kreisförmige Form durch einen Durchmesser D beschreibbar ist, wobei ein Abstand zwischen dem rotierenden Bauteil und der Unterseite L beträgt, wobei gilt: D = (3...10) x L.
9. Dichtungssegment (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmungen (15) in Umfangsrichtung (5) derart beabstandet sind, dass ein Steg (17) mit einer Breite d zwischen den Ausnehmungen (15) entsteht.
10. Dichtungssegment (1) nach Anspruch 9, wobei gilt: d = 0 bis 5 x D.
11. Dichtungssegment (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmungen (15) in radialer Richtung (19) gesehen gegenüber der Rotationsachse (3) um einen Winkel ß geneigt sind.
12. Dichtungssegment (1) nach Anspruch 11, wobei gilt: 0 < |ß| < 20°.
13. Dichtungssegment (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Ausnehmungen derart ausgebildet sind, dass die
Tangente (18) der Ausnehmung (15) am Steg (17) gegenüber der radialen Richtung (19) um einen Winkel a geneigt ist.
14. Dichtungssegment (1) nach Anspruch 13, wobei gilt: 0 < |a| < 20°.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2937484Y (zh) * 2006-08-04 2007-08-22 上海汽轮机有限公司 用于汽轮机低压通流的对齿汽封
US20110280715A1 (en) * 2010-05-11 2011-11-17 General Electric Company Curved labyrinth seals
US9587746B2 (en) * 2012-07-31 2017-03-07 General Electric Company Film riding seals for rotary machines
US9394800B2 (en) * 2013-01-21 2016-07-19 General Electric Company Turbomachine having swirl-inhibiting seal
EP3333372A1 (de) * 2016-12-09 2018-06-13 General Electric Technology GmbH Turbine, zugehörige dampfturbine und betriebsverfahren

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