EP4689359A1 - Hybriddichtung - Google Patents

Hybriddichtung

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EP4689359A1
EP4689359A1 EP24732497.3A EP24732497A EP4689359A1 EP 4689359 A1 EP4689359 A1 EP 4689359A1 EP 24732497 A EP24732497 A EP 24732497A EP 4689359 A1 EP4689359 A1 EP 4689359A1
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EP
European Patent Office
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sealing element
sealing
seal
labyrinth seal
carrier
Prior art date
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Pending
Application number
EP24732497.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen JAHRMARCHT
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4689359A1 publication Critical patent/EP4689359A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • F01D11/02—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
    • 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
    • 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
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/55—Seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position
    • F05D2260/36—Retaining components in desired mutual position by a form fit connection, e.g. by interlocking
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/40—Organic materials
    • F05D2300/43—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
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    • F05D2300/40—Organic materials
    • F05D2300/43—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
    • F05D2300/436—Polyetherketones, e.g. PEEK

Definitions

  • the invention relates to a labyrinth seal for sealing a sealing area between a rotor and a stator of a rotary machine, wherein the labyrinth seal comprises: a sealing element having protruding sealing rings which can be arranged opposite a rotor surface, further comprising a sealing carrier which is designed to receive the sealing element, wherein the sealing element is positively connected to the sealing carrier.
  • the invention relates to a method for producing a labyrinth seal for sealing a sealing area between a rotor and a stator of a rotary machine, in which a seal carrier and a sealing element are created, wherein the sealing element has protruding sealing rings which are arranged opposite a rotor surface, wherein the sealing element is positively connected to the seal carrier.
  • sealing In order to reduce efficiency losses due to leaks, sealing must be carried out at points of different pressure in rotating machines such as turbomachines or turbomachines. Seals between a rotating part, e.g. a shaft, and a stator part, such as a housing part, are often designed as a contactless labyrinth seal. In order to take thermal expansion, centrifugal expansion and oscillation of the rotor in the radial positions and when traveling through critical speeds into account, the radial sealing clearance must not be too small. A sealing gap that is too small leads to rubbing and thus damage to the labyrinth tips and, in the worst case, to warping of the rotor.
  • Labyrinth seals made of polymer materials are also known. However, such labyrinth seals made of high-performance polymers are comparatively expensive. In addition, the thermal expansion of the plastic is greater than that of metallic materials, which makes machine design more difficult.
  • Labyrinth seals made of polymer materials that are produced using additive manufacturing are currently being investigated. Due to the available pressure space in the labyrinth seals used in the machines, the size of the labyrinth seal as a ring is limited to small diameters.
  • Hybrid labyrinth seals are manufactured by a material-locking connection of two or more materials.
  • the invention has set itself the task of providing a labyrinth seal that can be manufactured comparatively inexpensively.
  • a labyrinth seal for sealing a sealing region between a rotor and a stator of a rotary machine, wherein the labyrinth seal comprises: a sealing element having protruding sealing rings which can be arranged opposite a rotor surface, further comprising a sealing carrier which is designed to receive the sealing element, wherein the sealing element is positively connected to the sealing carrier.
  • the objects are also achieved by a method for producing a labyrinth seal for sealing a sealing area between a rotor and a stator of a rotary machine, in which a seal carrier and a seal telement can be created, wherein the sealing element has protruding sealing rings which are arranged opposite a rotor surface, wherein the sealing element is positively connected to the seal carrier.
  • the invention enables a comparatively inexpensive production of a labyrinth seal from different materials.
  • the invention is based on the idea that there are advantages to forming a labyrinth seal from different materials and to design the production in such a way that, on the one hand, it is comparatively inexpensive due to a positive connection and, on the other hand, a service-friendly solution is available due to the detachable positive connection.
  • a seal carrier made of steel and to design it in such a way that it accommodates segmented sealing elements which contain the labyrinth tips, whereby the sealing element is made of a polymer material such as PEEK.
  • the sealing elements are pre-stressed and positively connected to the seal carrier, which is similar to a click connection. This means that the segment-like sealing elements can easily be assembled into a ring and reworked.
  • Such a connection which can also be referred to as a click connection, can be made quickly and easily without any tools. If the elements become worn, they can be replaced and the seal carrier can be reused. Due to the low polymer content, the influence of temperature expansion is small.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of a labyrinth seal according to the invention
  • Figure 1 shows a schematic representation of an embodiment of a labyrinth seal 1 according to the invention.
  • the labyrinth seal 1 is designed to form a sealing area 2 between a stator (not shown) and a rotor (not shown).
  • the stator and the rotor are part of a rotating machine, such as a turbomachine or a fluid machine.
  • the labyrinth seal 1 comprises a sealing element 3.
  • the sealing element 3 is made of a material and has sealing rings 4 that protrude and extend into the sealing area 2.
  • the sealing rings 4 are arranged opposite a rotor surface (not shown).
  • the sealing element 3 has a base plate 5 on which the sealing rings 4 are arranged on one side 6 and on the back 7 on a sealing carrier 8.
  • the sealing carrier 8 is designed to accommodate the sealing element 3. According to the invention, the sealing carrier 8 is connected to the sealing element 3 in a form-fitting manner.
  • the sealing element has a V-shaped projection 9.
  • This projection 9 has a first leg 10 and a second leg 11, which together form a V.
  • the projection 9 is arranged on the rear side 7 of the sealing element 3.
  • a recess 12 is arranged in the seal carrier 8 and is designed such that the V-shaped projection 9 projects into it.
  • the recess 12 must be designed to complement the projection 9.
  • the rotor (not shown) is mounted so as to be rotatable about a rotation axis 16.
  • the radial direction 13 is arranged essentially perpendicular thereto.
  • the projection 9 is made of an elastic material. This makes it possible to pre-tension the two legs 10 and 11 towards each other so that during assembly the sealing element 3 can be pushed into the recess 12 in the radial direction 13.
  • the sealing element 3 can also be pushed in a circumferential direction.
  • the seal carrier 8 is made of steel.
  • the sealing element 3 is made of a polymer material.
  • the polymer material is, for example, PEEK.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen einer Labyrinthdichtung (1) zum Abdichten eines Dichtbereichs (2) zwischen einem Rotor und einem Stator einer Rotationsmaschine, bei dem ein Dichtungsträger (8) und ein Dichtelement (3) erstellt werden, wobei das Dichtelement (3) hervorspringende Dichtungsringe (4) aufweist, die gegenüberliegend einer Rotoroberfläche angeordnet werden, wobei das Dichtelement (3) und der Dichtungsträger (8) formschlüssig miteinander verbunden werden.

Description

Beschreibung
Hybriddichtung
Die Erfindung betri f ft eine Labyrinthdichtung zum Abdichten eines Dichtbereichs zwischen einem Rotor und einem Stator einer Rotationsmaschine , wobei die Labyrinthdichtung umfasst : ein Dichtelement aufweisend hervorspringende Dichtungsringe , die gegenüberliegend einer Rotoroberfläche anordenbar sind, ferner umfassend einen Dichtungsträger , der zum Aufnehmen des Dichtelementes ausgebildet ist , wobei das Dichtelement formschlüssig mit dem Dichtungsträger verbunden ist .
Des Weiteren betri f ft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Labyrinthdichtung zum Abdichten eines Dichtbereichs zwischen einem Rotor und einem Stator einer Rotationsmaschine , bei dem ein Dichtungsträger und ein Dichtelement erstellt werden, wobei das Dichtelement hervorspringende Dichtungsringe aufweist , die gegenüberliegend einer Rotoroberfläche angeordnet werden, wobei das Dichtelement mit dem Dichtungsträger formschlüssig miteinander verbunden wird .
Damit Wirkungsgradverluste auf Grund von Leckagen verringert werden, müssen in Rotationsmaschinen, wie Strömungsmaschinen oder Turbomaschinen an Stellen unterschiedlichen Drucks abgedichtet werden . Abdichtungen zwischen einem rotierenden Teil , z . B . eine Welle , und einem Statorteil , wie einem Gehäuseteil , werden häufig als berührungslose Labyrinthdichtung ausgeführt . Dabei darf mit Rücksicht auf Wärmedehnung, Fliehkraftdehnung und einem Aufschwingen des Rotors in den Radiallagen und beim Durchfahren kritischer Drehzahlen das radiale Dichtspiel nicht zu klein werden . Ein zu klein gewählter Dichtspalt führt zum Anstrei fen und damit zur Beschädigung der Labyrinthspitzen und schlimmstenfalls zur Verkrümmung des Rotors .
Aus dem Stand der Technik sind federnde Dichtsegmente einer Labyrinthdichtung bekannt , die bei einem Anstrei fen ausweichen und so größere Beschädigungen vermeiden . Des Weiteren sind Labyrinthdichtungen bekannt , die aus polymeren Werkstof fen bestehen . Allerdings sind solche Labyrinthdichtungen aus Hochleistungspolymeren vergleichsweise kostenintensiv . Darüber hinaus ist die thermische Ausdehnung des Kunststof fes größer als die von metallischen Werkstof fen, was eine Maschinenauslegung erschwert .
Es werden derzeit Labyrinthdichtungen aus polymeren Werkstoffen untersucht , die mittels additive Fertigung erzeugt werden . Durch den verfügbaren Druckraum in den Maschinen eingesetzten Labyrinthdichtungen, ist die Baugröße der Labyrinthdichtung als Ring auf kleine Durchmesser limitiert .
Hybride Labyrinthdichtungen werden durch eine stof f schlüssige Verbindung zweier oder mehreren Werkstof fen hergestellt .
Vor diesem Hintergrund hat die Erfindung es sich zur Aufgabe gemacht , eine Labyrinthdichtung anzugeben, die vergleichsweise günstig herzustellen ist .
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Labyrinthdichtung zum Abdichten eines Dichtbereichs zwischen einem Rotor und einem Stator einer Rotationsmaschine , wobei die Labyrinthdichtung umfasst : ein Dichtelement aufweisend hervorspringende Dichtungsringe , die gegenüberliegend einer Rotoroberfläche anordenbar sind, ferner umfassend einen Dichtungsträger , der zum Aufnehmen des Dichtelementes ausgebildet ist , wobei das Dichtelement formschlüssig mit dem Dichtungsträger verbunden ist .
Des Weiteren wird die Aufgaben auch gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Labyrinthdichtung zum Abdichten eines Dichtbereichs zwischen einem Rotor und einem Stator einer Rotationsmaschine , bei dem ein Dichtungsträger und ein Dich- telement erstellt werden, wobei das Dichtelement hervorspringende Dichtungsringe aufweist , die gegenüberliegend einer Rotoroberfläche angeordnet werden, wobei das Dichtelement mit dem Dichtungsträger formschlüssig miteinander verbunden wird .
Die Erfindung ermöglicht eine vergleichsweise günstige Herstellung einer Labyrinthdichtung aus unterschiedlichen Werkstof fen .
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus , dass es Vorteile ergibt , eine Labyrinthdichtung aus unterschiedlichen Materialien aus zubilden und die Herstellung so zu gestalten, dass sie zum einen vergleichsweise günstig durch eine formschlüssige Verbindung erfolgt und zum anderen eine servicefreundliche Lösung durch die wieder lösbare formschlüssige Verbindung vorliegt .
Vorgeschlagen wird unter anderem einen Dichtungsträger aus Stahl anzuordnen und diesen so aus zubilden, dass er segmentierte Dichtelemente aufnimmt , welche die Labyrinthspitzen enthalten, wobei das Dichtelement aus einem polymeren Werkstof f ausgebildet ist , wie zum Beispiel PEEK . Die Dichtelemente werden vorgespannt formschlüssig mit dem Dichtungsträ- ger verbunden, was Ähnlichkeit mit einer Klickverbindung aufweist . Dadurch können die segmentartigen Dichtelemente leicht zu einem Ring zusammengesetzt werden und nachbearbeitet werden .
Der Dichtungsträger und das Dichtelement sind dabei vorteilhafterweise aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet , wobei die Verbindung der unterschiedlichen Materialien vorgespannt formschlüssig und nicht stof f schlüssig erfolgt .
Eine solche Verbindung, die auch als Klickverbindung bezeichnet werden kann, kann ohne Hil fsmittel schnell und einfach hergestellt werden . Bei Verschleiß können die Elemente ausgetauscht werden und der Dichtungsträger weiterverwendet wer- den . Durch den geringen Polymeranteil ist der Einfluss der Temperaturausdehnung gering .
Durch die Wahl des polymeren Werkstof fs sind die Kosten geringer .
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben .
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 :
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Aus führungs form einer erfindungsgemäßen Labyrinthdichtung
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Aus führungs form einer erfindungsgemäßen Labyrinthdichtung 1 .
Die Labyrinthdichtung 1 ist hierbei dazu ausgebildet , um einen Dichtbereich 2 zwischen einem Stator (nicht dargestellt ) und einem Rotor (nicht dargestellt ) wirksam abzudichten . Der Stator und der Rotor sind hierbei Teil einer Rotationsmaschine , wie zum Beispiel einer Turbomaschine oder einer Strömungsmaschine .
Die Labyrinthdichtung 1 umfasst hierzu ein Dichtelement 3 auf . Das Dichtelement 3 ist aus einem Material ausgebildet und weist in den Dichtbereich 2 hineinragende und hervorspringende Dichtungsringe 4 auf . Die Dichtungsringe 4 sind gegenüberliegend einer Rotoroberfläche (nicht dargestellt ) angeordnet .
Das Dichtelement 3 weist eine Grundplatte 5 auf , an der auf der einen Seite 6 die Dichtungsringe 4 angeordnet sind und auf der Rückseite 7 an einem Dichtungsträger 8 angeordnet ist . Der Dichtungsträger 8 ist zum Aufnehmen des Dichtelementes 3 ausgebildet . Erfindungsgemäß ist der Dichtungsträger 8 formschlüssig mit dem Dichtelement 3 verbunden .
Dazu weist das Dichtelement einen V- formigen Vorsprung 9 auf . Dieser Vorsprung 9 weist einen ersten Schenkel 10 und einen zweiten Schenkel 11 auf , die gemeinsam ein V bilden . Der Vorsprung 9 ist auf der Rückseite 7 des Dichtelementes 3 angeordnet .
In dem Dichtungsträger 8 ist eine Ausnehmung 12 angeordnet , die so ausgebildet ist , dass der V- förmige Vorsprung 9 hineinragt . Dazu muss die Ausnehmung 12 komplementär zu dem Vorsprung 9 ausgebildet sein . Durch die gegenüber eine radialen Richtung 13 geneigten Schenkel 10 und 11 ist eine formschlüssige Verbindung durch die ebenfalls mit dem gleichen Winkel geneigten Seitenflächen 14 und 15 der Ausnehmung 12 erreicht .
Der nicht dargestellte Rotor ist um eine Rotationsachse 16 drehbar gelagert . Die radiale Richtung 13 ist im Wesentlichen senkrecht dazu angeordnet . Der Vorsprung 9 ist aus einem elastischen Material ausgebildet . Dies ermöglicht die beiden Schenkel 10 und 11 zueinander vorzuspannen, so dass bei der Montage das Dichtelement 3 in radialer Richtung 13 in die Ausnehmung 12 eingeschoben werden kann . In einer alternativen Aus führungs form kann das Dichtelement 3 aber auch in einer Umfangsrichtung eingeschoben werden .
Der Dichtungsträger 8 ist aus einem Stahl ausgebildet . Das Dichtelement 3 ist aus einem polymeren Werkstof f ausgebildet . Der polymere Werkstof f ist beispielsweise PEEK .
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. Labyrinthdichtung (1) zum Abdichten eines Dichtbereichs (2) zwischen einem Rotor und einem Stator einer Rotationsmaschine, wobei die Labyrinthdichtung (1) umfasst: ein Dichtelement (3) aufweisend hervorspringende Dichtungsringe (4) , die gegenüberliegend einer Rotoroberfläche anordenbar sind, ferner umfassend einen Dichtungsträger (8) , der zum Aufnehmen des Dichtelementes (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) formschlüssig mit dem Dichtungsträger (8) verbunden ist.
2. Labyrinthdichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der Dichtungsträger (8) und das Dichtelement (3) aus verschiedenen Materialien ausgebildet sind.
3. Labyrinthdichtung (1) nach Anspruch 2, wobei der Dichtungsträger (8) aus Stahl ausgebildet ist .
4. Labyrintdichtung (1) nach Anspruch 2oder 3, wobei das Dichtelement (3) aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet ist.
5. Labyrinthdichtung (1) nach Anspruch 4, wobei das der polymere Werkstoff PEEK ist.
6. Labyrinthdichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtelement (3) segmentartig ausgebildet ist .
7. Labyrinthdichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dass das Dichtelement (3) einen V-formigen Vorsprung (9) aufweist, der mit einer komplementär zu dem V-förmigen Vorsprung (9) ausgebildeten Ausnehmung (12) stoff schlüssig verbunden ist.
8. Labyrinthdichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtelement (3) materialeinheitlich ausgebildet ist.
9. Verfahren zum Herstellen einer Labyrinthdichtung (1) zum Abdichten eines Dichtbereichs (2) zwischen einem Rotor und einem Stator einer Rotationsmaschine, bei dem ein Dichtungsträger (8) und ein Dichtelement (3) erstellt werden, wobei das Dichtelement (3) hervorspringende Dichtungsringe (4) aufweist, die gegenüberliegend einer Rotoroberfläche angeordnet werden, wobei das Dichtelement (3) und der Dichtungsträger (8) formschlüssig miteinander verbunden werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Dichtelement (3) segmentartig um einen Rotor angeordnet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Dichtelement (3) vorgespannt formschlüssig mit dem Dichtungsträger (8) verbunden wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei das Dichtelement (3) in einer Umfangsrichtung in den Dichtungsträger (8) eingefügt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Dichtelement (3) aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Dichtungsträger (8) aus Stahl ausgebildet wird .
EP24732497.3A 2023-06-28 2024-06-11 Hybriddichtung Pending EP4689359A1 (de)

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EP24732497.3A Pending EP4689359A1 (de) 2023-06-28 2024-06-11 Hybriddichtung

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