WO2006111405A1 - Vorrichtung und verfahren zur verringerung von dichtspaltverlusten von turbomaschinen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur verringerung von dichtspaltverlusten von turbomaschinen Download PDF

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WO2006111405A1
WO2006111405A1 PCT/EP2006/003700 EP2006003700W WO2006111405A1 WO 2006111405 A1 WO2006111405 A1 WO 2006111405A1 EP 2006003700 W EP2006003700 W EP 2006003700W WO 2006111405 A1 WO2006111405 A1 WO 2006111405A1
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labyrinth seal
rotary body
labyrinth
turbine
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Klaus-Peter Priebe
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Klaus-Peter Priebe
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    • F05D2240/50—Bearings
    • F05D2240/52—Axial thrust bearings

Definitions

  • the invention relates to a device for reducing sealing gap losses of turbomachinery with a housing and a rotational body arranged therein, wherein between housing and. Rotational body at least one labyrinth seal is arranged.
  • the state of the art is characterized in that the gap losses between housing and impeller are reduced by mechanical seals, labyrinth seals or even brush-like seals today.
  • the gap between the housing and the open impeller is left open with the smallest possible dimensioning of the gap.
  • the dimensioning of the tolerated gap is essentially dependent on the temperature range to be traversed between idle state and operating state with a corresponding expansion of the rotor and the working shaft and the centrifugal forces generated at the turbine or compressor wheel.
  • the turbine or compressor wheel will stretch before the housing can follow the thermal expansion.
  • This thermal and centrifugal expansion of the impellers can use at temperatures up to 200 0 C well within the range of 0.2 mm are, in small hot gas turbines also quite in the range of 1.0 to several millimeters.
  • a turbine of today's design can only follow thermal load changes slowly.
  • the losses through the gap increase very rapidly with decreasing impeller diameters and the mechanical efficiency of the impeller decreases rapidly.
  • sealing systems are also used, e.g. Mechanical seals, which are mounted on the rotating body and must be mounted under high pressure gradient between the flow inlet and outlet under bias to the shaft. Mechanical seals thus cause considerable frictional resistance and are subject to wear.
  • Labyrinth seals are preferably placed in the axial direction on the rotating axis, which are formed as a simple or interlocking comb.
  • the constructive distance between the slats must take into account thermal expansions and unavoidable imbalances or unevenness.
  • gaps in the size of up to 0.1 mm are realized as minimum sealing gap widths between the lamellae.
  • the distances may well be in the range of a few millimeters.
  • the object of the invention is to provide a device for reducing gap losses and thus to increase the efficiency of turbomachinery.
  • this object is achieved in that the rotational body and / or a fixed part of the at least one labyrinth seal bearing housing part is axially displaceable, so that the gap width of the at least one by displacement of the rotating body and / or the housing part Labyrinth seal is adjustable.
  • the rotary body or a part of the housing is mounted in each case axially movable with a radial labyrinth seal engagement against the second part of the labyrinth seal.
  • the sealing gap width can be adjusted by an axial displacement to a desired value.
  • this value is not rigid, but can be changed during operation, so that it is possible in particular to start the turbine with larger sealing gaps and only on reaching a steady state operating the sealing gaps to the smallest possible extent to reduce the efficiency of Maximize machine. In this way, damage to the machine during startup is avoided because, due to the operating conditions occurring here, contact between the rotating and stationary parts of the machine could occur if the sealing gap diameters are too small and can be effectively prevented by the invention ,
  • the invention is used to reduce the gap occurring between housing and turbine or compressor blade rotating body occurring.
  • a conventional radial turbine provided with a lateral surface
  • said lateral surface at the upper and / or lower end carries a part of the labyrinth seals and the opposite housing part the respective other corresponding part of the labyrinth seals or provided perpendicular to the direction of rotation base with the large radius of the impeller and the opposite housing part carries corresponding labyrinth seals.
  • the effective sealing gap height after run-up of the rotating body can thus be reduced according to the invention to a width of a few 0.001 mm and the flow losses through the sealing gap and the secondary flow losses can be drastically reduced.
  • At least one sensor element is provided for determining at least the axial position of the rotary body and / or the displaceable housing part. This makes it possible to achieve a particularly effective control of the sealing gap, since the current position of the rotary body or of the displaceable housing part can be determined at any time.
  • At least one electronic control arrangement for axially positioning the rotary body and / or the displaceable housing part is provided depending on the measured sensor information in an embodiment of the invention.
  • a fully controlled sealing gap width can be achieved to the desired extent.
  • the axial position of the rotary body or of the housing part can be any be tracked time to fix the sealing gap to the desired level. In particular, if over time thermal expansions of the shaft or the housing part occur or thermal load changes with consequent changes occur, this is automatically compensated by the control, without the efficiency of the machine deteriorates or damage occurs.
  • the rotary body is mounted electromagnetically and / or is designed to be axially displaceable by electromagnetic means.
  • the device according to the invention is preferably carried out with an electromagnetically actively mounted rotary body (impeller), which is equipped with an electromagnetic imbalance compensation and which can be displaced axially, for example in a range of ⁇ 2.0 mm with an accuracy of 0.001 mm.
  • the axial thrust is brought about by a corresponding current application of the electromagnetically active thrust bearing. This design is useful when the rotation body is a very fast rotating body, which can no longer be stored sensibly by mechanical bearings.
  • the invention can be carried out in such a way that the housing is equipped with a membrane with an axially displaceable cover and this cover is axially displaceable via a mechanical or electromechanical adjusting device.
  • This design is suitable for all rotary bodies whose speeds are below 20,000 rpm.
  • the labyrinth seal is used in conjunction with an axial positioning of the shaft or the housing in an axial turbine or an axial compressor.
  • the labyrinth seal can be used in a radial turbine or a radial compressor in conjunction with an axial positioning of the shaft and / or the housing.
  • the labyrinth seal can be used in conjunction with an axial positioning of the shaft or housing in a diagonal turbine or a diagonal compressor.
  • the labyrinth seal may expediently be provided on two axisymmetric circular segment-shaped surfaces around the center of mass of the rotational body and the labyrinth seal each have labyrinth webs spaced from one another on the housing part and the rotational body, wherein the distance of the labyrinth webs is dimensioned such that the working shaft exerts a free precession movement. can lead.
  • the bearing the labyrinth seals surfaces of the impeller and the opposite housing parts according to the invention can be designed such that when the precession of a fully electromagnetically mounted working shaft, these interlocking surfaces are located on a circular segment around the center of mass of the working shaft. Also, such precession movements do not result in contact between the rotating and stationary parts of the labyrinth seal.
  • the sensors are designed as non-contact sensors.
  • a position determination of the body in the housing via a contactless sensor system is recommended.
  • induction sensors can be achieved particularly advantageous results.
  • the rotary body can be moved to a sealing gap width between 0.1 and 0.005 mm.
  • the sealing gap losses are also in small machines in a range that does not affect the efficiency of the machine excessively.
  • a housing cover enclosing the rotary body at least partially is provided, on which a stationary part of the labyrinth seal is arranged and which is connected to the housing with a pressure-resistant membrane and is designed to be mechanically or electromechanically movable axially.
  • a housing cover enclosing the rotary body at least partially is provided, on which a stationary part of the labyrinth seal is arranged and which is connected to the housing with a pressure-resistant membrane and is designed to be mechanically or electromechanically movable axially.
  • the rotary body partially carries turbine blades, which have an outer circumferential surface, which are formed as part of an upper and / or lower radial labyrinth seal. In this way, the seal can be integrated directly into the turbine blades and thus carried out a seal directly on the edge of the turbine wheels, whereby the structural complexity is reduced and additional seals can be avoided.
  • a further embodiment of the invention provides that in the presence of more than one labyrinth seal between the rotary body and the housing, the sealing gaps of the individual labyrinth seals are independently controllable by the rotary body and the stationary parts of the labyrinth seals bearing parts of the housing independently and / or are formed axially displaceable relative to each other.
  • the sealing gaps of the respective individual areas can be set individually, which is particularly expedient if different temperatures are applied to different areas of the turbine and thus the thermal expansions differ from each other.
  • the labyrinth seals existing between these elements can be adjusted to the desired gap width.
  • the gap width of the seals between the shaft and arranged on the movable housing parts parts of the labyrinth seals can then be adjusted by moving these housing parts.
  • the invention also relates to a method for reducing sealing gap losses of turbomachinery with a housing and a rotary body arranged therein with at least one labyrinth seal, which is characterized in that the rotary body is axially displaced such that the gap width of the sealing gap of the labyrinth seal in a adjustable tolerance range remains.
  • the sealing gap surface causing the losses can be reduced to a fraction of the losses given today.
  • FIG. 3 shows a section through a radial turbine according to the invention in two positions
  • 4 shows a section through a part of a turbomachine according to the invention in two positions
  • FIG. 5 shows a partial section through a turbomachine according to the invention in two positions.
  • a turbomachine according to the invention generally designated by 100 is shown in more detail in FIG. It has two turbine stages 102 and 103 and two compressor stages 104 and 105, which are all mounted on a common rotary body 106 and rotatably arranged in a machine housing 101.
  • the rotary body 106 is floatingly supported by an electromagnetic thrust bearing 107 and other electromagnetic bearings, not shown.
  • the electromagnetic thrust bearing 107 By means of the electromagnetic thrust bearing 107, the rotational body 106 can be displaced in the axial direction, as shown schematically. Through the entire electromagnetic bearing, the position of the rotating body 106 can be adjusted both in the axial and in the radial direction.
  • an axial position sensor 108 In the form of an inductive sensor and other non-contact position sensors are provided, which are also not shown in detail. With the measured position data of the rotating body 106, their position is accurately set even at high speeds and it is an imbalance compensation possible.
  • each of the compressor and compressor stages 102, 103, 104, 105 between the rotating member 106 connected to the rotating member and the stationary housing member 101 are generally designated 110 Labyrinth seals provided. They have on the housing 101 comb-like arranged sealing blades 111.
  • the compressor and compressor stages 102, 103, 104, 105 have corresponding sealing surfaces 112 on the edge side.
  • the axis is displaced by means of the electromagnetic thrust bearing 107 so that the distance between the turbine wheels 102, 103 and the housing 101 is smaller until it has been reduced in design to 0.005 mm.
  • the position of the rotational body 106 detected by means of the axial sensor 108 is constantly compared with the value to be set and readjusted accordingly. This condition is shown in the lower part of FIG.
  • parts of the housing part 109 surrounding the rotary body 106 are designed to be displaceable relative to the main housing 101 and to the rotary body 106.
  • the position relative to the rotation body 106 is determined by an inductive sensor designated 13.
  • the housing part 109 can be moved axially.
  • the latter is displaced in the axial direction depending on the measured position data of the housing part 110 until the gap between the sealing surfaces 112 of the compressor wheels 104, 105 and the stationary laminations 111 of the labyrinth seals 110 has reached the desired value.
  • thermal expansions of the rotational body 106 and the housing parts 101, 109 are compensated even with rapid change of the thermal loads, without the efficiency of the machine due to the sealing gap Losses decreases or mechanical contact and thus destruction of fast-rotating can occur with the fixed housing parts.
  • the embodiment partially shown in FIG. 2 of an axial turbine 200 according to the invention has an axially arranged labyrinth seal 210 between the rotary body 206 and the housing part 201.
  • the housing 201 has an axially displaceable, substantially cylindrical cover part 221, which is connected by a movable, circumferential membrane 222 tightly connected to the housing part 201.
  • the cover part 221 has the fixed part of the labyrinth seal 210 in the form of a plurality of comb-like protruding louvers 211.
  • the cylindrical cover 221 is displaced relative to the rotation body 206, so that the gap 213 between the stationary lamellae 211 of the labyrinth seal and the rotating lamellae 212 is reduced, as shown in part "b)" of FIG. 2 shown.
  • a radial turbine or compressor wheel 306a is arranged in a stationary housing part 301.
  • labyrinth seals 310 which likewise consist of a fixed part 311 arranged on the housing 301 and a rotating part 312 arranged on the radial wheel 306a.
  • the inventive axial displacement of the rotary body 306, the Radialturbinen- or compressor 306a can be moved in the direction of the fixed housing 301, as in the area "b)" of the drawing shown. As a result, the gap distance of the labyrinth seal 310 can be adjusted as already described.
  • the labyrinth seal 410 is located on a lateral surface between a housing part 401 and the rotary body 406.
  • the lateral surface is located on a circular segment around the center of mass of the rotary body 406.
  • labyrinth seals 510 are provided between the two turbine wheels 506a and 506b as well as the corresponding peripheral surfaces 511a and 511b. These consist of comb-like, circumferential lamellae 512 on the outer edge surfaces of the turbine wheels and corresponding thereto lateral surfaces 511 in the fixed housing 501 of the turbine. Again, by axial displacement of the rotary body 506 supporting the turbine wheels 506a and 506b, the gap between the fins 512 and the corresponding lateral surface 511 is set to the desired level as shown in the lower portion of FIG.

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Abstract

Vorrichtung zur Verringerung von Dichtspaltverlusten von Turbomaschinen mit einem Gehäuse (101, 201, 301, 401, 501) und einem darin angeordneten Rotationskörper (106, 206, 306, 406, 506) , wobei zwischen Gehäuse (101, 201, 301, 401, 501) und Rotationskörper (106, 206, 306, 406, 506) wenigstens eine Labyrinthdichtung (110, 210, 310, 410, 510) angeordnet ist. Der Rotationskörper (106, 206, 306, 406, 506) und/oder der einen feststehenden Teil (111, 211, 311, 411, 511) der wenigstens einen Labyrinthdichtung (110, 210, 310, 410, 510) tragende Gehäuseteil (120) ist axial verschiebbar ausgebildet, so dass durch Verschiebung des Rotationskörpers (106, 206, 306, 406, 506) und/oder des Gehäuseteiles (120) die Spaltbreite der wenigstens einen Labyrinthdichtung (110, 210, 310, 410, 510) einstellbar ist.

Description

VORRICHTtMG UND VERFAHREN ZUR VERRINGERUNG VON DICHTSPALTVERLUSTEN VON TURBOMASCHINEN
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung von Dichtspaltverlusten von Turbomaschinen mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten Rotationskörper, wobei zwischen Gehäuse und. Rotationskörper wenigstens eine Labyrinthdichtung angeordnet ist .
Der Stand der Technik wird dadurch charakterisiert, dass die Spaltverluste zwischen Gehäuse und Laufrad heute durch Gleitringdichtungen, Labyrinthdichtungen oder auch bürstenähnliche Dichtungen verringert werden.
Bei Kleinturbinen oder Ladern wird heute vorzugsweise der Spalt zwischen Gehäuse und offenem Laufrad bei kleinst möglicher Dimensionierung des Spaltes offen gelassen. Die Dimensionierung des tolerierten Spaltes ist im Wesentlichen abhängig von der zu durchfahrenden Temperaturspanne zwischen Ruhezustand und Betriebszustand mit einer entsprechenden Dehnung des Rotors und der Arbeitswelle sowie den an dem Turbinen- oder Verdichterrad entstehenden Zentrifugalkräften.
Im Regelfall wird sich das Turbinen- oder Verdichterrad dehnen, bevor das Gehäuse der thermischen Dehnung folgen kann. Diese thermische und zentrifugale Dehnung der Laufrä- der kann bei Einsatztemperaturen bis 2000C durchaus im Bereich von 0,2 mm liegen, bei kleinen Heißgasturbinen auch durchaus in dem Bereich von 1,0 bis mehreren Millimetern.
Um einen zerstörerischen mechanischen Kontakt der Laufräder zum Gehäuse zu vermeiden, wird heute der Spalt zwischen Gehäuse und Laufräder durch Hinnahme der entstehenden Ver-
BESTATIGUNGSKOPIE luste relativ groß dimensioniert und die thermische Beaufschlagung des Turbinen- oder Verdichtersystems erfolgt stufenweise derart, dass das Gehäuse genügend Zeit zur thermischen Dehnung hat. Damit kann eine Turbine heutiger Bauart thermischen Lastwechseln nur langsam folgen. Die Verluste durch den Spalt nehmen bei kleiner werdenden Laufraddurchmessern sehr stark zu und der mechanische Wirkungsgrad des Laufrades nimmt schnell ab.
Es werden aber auch Dichtsysteme eingesetzt, so z.B. Gleitringdichtungen, die auf dem rotierenden Körper aufgesetzt werden und bei hohem Druckgefälle zwischen Strömungseinlass und -auslass unter Vorspannung auf die Welle montiert werden müssen. Gleitringdichtungen verursachen damit erhebliche Reibungswiderstände und unterliegen einem Verschleiß.
Labyrinthdichtungen werden vorzugsweise in axialer Richtung auf die sich drehende Achse aufgesetzt, wobei diese als einfacher oder als ineinandergreifender Kamm ausgebildet werden. Der konstruktive Abstand zwischen den Lamellen muss Wärmedehnungen und unvermeidliche Unwuchten oder Unebenheiten berücksichtigen. Bei Kleinturbinen wie für Druckluft- Werkzeuge werden als minimale Dichtspaltweiten zwischen den Lamellen Abstände in der Größe von bis zu 0,1 mm realisiert, bei Heißgasturbinen können die Abstände durchaus im Bereich von einigen Millimetern liegen.
Bürstenähnliche Dichtungen setzen mit den Bürstenenden auf der Welle auf. Allerdings kann das Strδmungsmedium in geringem Umfang zwischen den einzelnen Bürsten hindurchströmen. Bürstendichtungen sind empfindlich gegenüber Verunreinigungen mit dem Ergebnis der Abstandsvergrößerung zwischen den Bürsten, möglichen Schleifspuren der Verunreinigungen und sind nicht für große Druckgefälle einsetzbar. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verringerung von Spaltverlusten anzubieten und damit den Wirkungsgrad von Turbomaschinen zu erhöhen.
Mit einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Rotationskörper und/ oder der einen feststehenden Teil der wenigstens einen Labyrinthdichtung tragende Gehäuseteil axial verschiebbar ausgebildet ist, so dass durch Verschiebung des Rotationskörpers und/oder des Gehäuseteiles die Spaltbreite der wenigstens einen Labyrinthdichtung einstellbar ist . Auf diese Weise ist der Rotationskörper oder ein Teil des Gehäuses jeweils mit einem radialen Labyrinthdichtungseingriff axial verfahrbar gegen den zweiten Teil der Labyrinthdichtung gelagert .
Somit lässt sich die Dichtspaltweite durch eine axiale Verschiebung auf einen gewünschten Wert einstellen. Auch ist dieser Wert nicht starr, sondern kann im laufenden Betrieb verändert werden, so dass es insbesondere möglich ist, die Turbine mit größeren Dichtspalten anfahren zu lassen und erst bei Erreichen eines stationären Betriebszustandes die Dichtspalte auf das kleinstmögliche Maß zu verkleinern, um den Wirkungsgrad der Maschine zu maximieren. Auf diese Weise wird eine Beschädigung der Maschine während des Hochfah- rens vermieden, da aufgrund der hierbei auftretenden Be- triebszustände ein Kontakt zwischen den rotierenden und den feststehenden Teilen der Maschine bei zu kleinen Dicht- spaltdurchmessern vorkommen könnte und durch die Erfindung wirkungsvoll verhindert werden kann.
So wird die Erfindung zur Verringerung der zwischen Gehäuse und turbinen- oder verdichterschaufelbestückten Rotationskörper auftretenden Spaltverluste eingesetzt. Hierzu werden entweder die normalerweise zum Gehäuse frei drehenden Tur- binenschaufelenden einer üblichen Radialturbine mit einer Mantelfläche versehen, wobei diese Mantelfläche an dem oberen und/oder unteren Ende den einen Teil der Labyrinthdichtungen trägt und das gegenüberliegende Gehäuseteil den jeweils entsprechenden anderen Teil der Labyrinthdichtungen oder die senkrecht zur Drehrichtung versehene Grundfläche mit dem großen Radius des Laufrades und das gegenüberstehende Gehäuseteil entsprechende Labyrinthdichtungen trägt .
Die wirksame Dichtspalthöhe nach Hochlaufen des Rotationskörpers kann damit erfindungsgemäß bis auf Weiten von wenigen 0,001 mm reduziert und die Strömungsverluste durch den Dichtspalt sowie die Sekundärströmungsverluste drastisch verringert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen :
So kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Sensorelement zur Bestimmung wenigstens der Axialposition des Rotationskörpers und/oder des verschiebbaren Gehäuseteiles vorgesehen ist. Hierdurch lässt sich eine besonders effektive Steuerung des Dichtspaltes erreichen, da die aktuelle Position des Rotationskörpers bzw. des verschiebbaren Gehäuseteiles jederzeit bestimmbar ist.
Vorteilhaft ist es, wenn wenigstens eine elektronische Regelanordnung zur axialen Positionierung des Rotationskörpers und/oder des verschiebbaren Gehäuseteiles abhängig von den gemessenen SensorInformationen in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist. Auf diese Weise lässt sich insbesondere im Zusammenspiel mit einem Sensorelement eine voll geregelte Dichtspaltbreite im gewünschten Maß erreichen. Abhängig von der gemessenen Position kann die axiale Position des Rotationskörpers bzw. des Gehäuseteiles jeder- zeit nachgeführt werden, um den Dichtspalt auf dem gewünschten Maß zu fixieren. Insbesondere, wenn im Laufe der Zeit thermische Ausdehnungen der Welle oder des Gehäuse- teiles auftreten oder thermische Lastwechsel mit daraus folgenden Veränderungen auftreten, wird dies durch die Regelung automatisch kompensiert, ohne dass der Wirkungsgrad der Maschine nachlässt oder eine Beschädigung auftritt.
Vorteilhaft ist es, wenn der Rotationskörper elektromagnetisch gelagert und/oder elektromagnetisch axial verfahrbar ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise mit einem elektromagnetisch aktiv gelagerten Rotationskörper (Laufrad) durchgeführt, der mit einer elektromagnetischen Unwuchtkompensation ausgestattet wird und der axial beispielsweise in einem Bereich von ± 2,0 mm mit einer Genauigkeit von 0,001 mm verschoben werden kann. Der axiale Ver- schub wird durch eine entsprechende Strombeaufschlagung des elektromagnetisch aktiven Axiallagers herbeigeführt. Diese Bauart bietet sich an, wenn der Rotationskörper ein sehr schnell laufender Rotationskörper ist, der nicht mehr sinnvoll durch mechanische Lager gelagert werden kann.
Im Falle einer alternativen mechanischen Lagerung kann die Erfindung derart durchgeführt werden, dass das Gehäuse über eine Membran mit einem axial verschiebbaren Deckel ausgerüstet wird und dieser Deckel über eine mechanische oder elektromechanische Verstelleinrichtung axial verschiebbar ausgebildet wird. Diese Bauart bietet sich für alle Rotationskörper an, deren Drehzahlen unterhalb von 20.000 U/min liegen.
Die Kombination der elektromagnetisch verfahrbaren Welle und axial verschiebbarer Gehäuseteile bietet sich für den Fall an, dass ein mehrstufiges Turbinen- und/oder Verdichterkonzept mit unterschiedlichen Temperaturbeanspruchungen der einzelnen Laufräder verfolgt wird.
Es ist vorteilhaft, dass der jeweilige Abstand zwischen Laufrädern und entsprechenden Gehäuseteilen sensorisch hochgenau im Bereich von 0,001 mm erfasst wird und über einen Regler der jeweilige Spalt zwischen Gehäuse und Lauf- rädern auf das kleinstmögliche Maß gesteuert wird. Diese erfindungsgemäße Technik erlaubt es auch während des Hoch- fahrens der Turbine und/oder des Verdichters den Spaltverlust klein zu halten.
Vorteilhaft wird die Labyrinthdichtung in Verbindung mit einer axialen Positionierung der Welle oder des Gehäuses bei einer Axialturbine oder einem Axialverdichter eingesetzt.
Vorteilhaft kann es auch sein, dass die Labyrinthdichtung bei einer Radialturbine oder einem Radialverdichter in Verbindung mit einer axialen Positonierung der Welle und/oder des Gehäuses einsetzbar ist.
Alternativ ist die Labyrinthdichtung in Verbindung mit einer axialen Positonierung der Welle oder des Gehäuses bei einer Diagonalturbine oder einem Diagonalverdichter ein- setzbar .
Zweckmäßig kann die Labyrinthdichtung auf zwei achssymmetrischen kreissegmentförmigen Flächen um den Massenschwerpunkt des Rotationskörpers vorgesehen sein und die Labyrinthdichtung jeweils am Gehäuseteil und dem Rotationskörper voneinander beabstandete Labyrinthstege aufweisen, wobei der Abstand der Labyrinthstege derartig bemessen ist, dass die Arbeitswelle eine freie Präzessionsbewegung aus- führen kann. Somit können die die Labyrinthdichtungen tragenden Flächen des Laufrades und die gegenüberliegenden Gehäuseteile erfindungsgemäß derart ausgebildet werden, dass bei Zulassung der Präzession einer vollständig elektromagnetisch gelagerten Arbeitswelle diese ineinandergreifenden Flächen sich auf einem Kreissegment um den Massenschwerpunkt der Arbeitswelle befinden. So führen auch derartige Präzessionsbewegungen nicht zu einem Kontakt zwischen dem rotierenden und dem feststehenden Teil der Labyrinthdichtung .
Besonders vorteilhaft sind die Sensoren als berührungslose Sensoren ausgebildet . Bei den hohen auftretenden Drehzahlen des Rotationskörpers bietet sich eine Positionsbestimmung des Körpers im Gehäuse über eine berühungslose Sensorik an. Insbesondere mittels Induktionssensoren lassen sich besonders vorteilhafte Ergebnisse erzielen.
Sehr gute Ergebnisse ergeben sich dann, wenn nach der Erfindung der Rotationskörper auf eine Dichtspaltbreite zwischen 0,1 und 0,005 mm verfahrbar ist. In diesem Bereich sind die Dichtspaltverluste auch bei kleinen Arbeitsmaschinen in einem Bereich, der den Wirkungsgrad der Maschine nicht übermäßig beeinträchtigt.
In Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass ein den Rotationskörper wenigstens bereichsweise umschließender Gehäusedeckel vorgesehen ist, an dem ein feststehender Teil der Labyrinthdichtung angeordnet ist und der mit einer druckfesten Membran mit dem Gehäuse verbunden und mechanisch oder elektromechanisch axial verfahrbar ausgebildet ist. Eine derartige mechanische Verstellung der Spaltbreite kann, wie ausgeführt, bei Maschinen, deren Drehzahl sich im unteren bis mittleren Bereich bewegt, zweckmäßig sein. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotationskörper bereichsweise Turbinenschaufeln trägt, die eine äußere Mantelfläche aufweisen, die als Teil einer oberen und/oder unteren radialen Labyrinthdichtung ausgebildet sind. Auf diese Weise kann die Dichtung direkt in die Turbinenschaufeln integriert werden und somit eine Abdichtung direkt am Rand der Turbinenräder erfolgen, wodurch der bauliche Aufwand reduziert wird und zusätzliche Dichtungen vermieden werden können.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei Vorhandensein von mehr als einer Labyrinthdichtung zwischen dem Rotationskörper und dem Gehäuse die Dichtspalte der einzelnen Labyrinthdichtungen unabhängig voneinander regelbar sind, indem der Rotationskörper und die die feststehenden Teile der Labyrinthdichtungen tragenden Teile des Gehäuses unabhängig voneinander und/oder relativ zueinander axial verschiebbar ausgebildet sind. Auf diese Weise lassen sich auch bei mehrstufigen Turbinenanordnungen die Dichtspalte der jeweils einzelnen Bereiche einzeln voneinander einstellen, was insbesondere dann zweckmäßig ist, wenn unterschiedliche Temperaturen an unterschiedlichen Bereichen der Turbine anliegen und somit die thermischen Ausdehnungen voneinander abweichen.
Dadurch, dass die Lage der Welle gegenüber dem umgebenden Gehäuse eingestellt werden kann, lassen sich die zwischen diesen Elementen vorhandenen Labyrinthdichtungen auf die gewünschte Spaltbreite einstellen. Die Spaltbreite der Dichtungen zwischen der Welle und an den beweglichen Gehäuseteilen angeordneten Teilen der Labyrinthdichtungen lassen sich dann durch Verschiebung dieser Gehäuseteile einstellen.
Dadurch, dass neben dem axialen Positionssensor weitere Sensoren zwischen den verschiebbaren Gehäuseteilen und der Achse oder zwischen den verschiebbaren Gehäuseteilen und dem feststehenden Gehäuseteil vorgesehen sind, lässt sich auch hier die jeweilige Relativposition messen und durch Vorsehen eines elektronischen Reglers auf ein gewünschtes Maß einstellen.
Die Erfindung betrifft außerdem noch ein Verfahren zur Verringerung von Dichtspaltverlusten von Turbomaschinen mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten Rotationskörper mit wenigstens einer Labyrinthdichtung, das sich dadurch auszeichnet, dass der Rotationskörper axial derartig verschoben wird, dass die Spaltweite des Dichtspaltes der La- byrinthdichtung in einen einstellbaren Toleranzbereich verbleibt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bei kleinen Radialturbinen wie bei Abgasturboladern, Gas- und Dampfturbinen oder auch Luftturbinen sowie entsprechenden Verdichtern in Verbindung mit Mantelflächen außen an den Laufrädern und den Labyrinthdichtungsstegen die Verluste verursachende Dichtspaltfläche auf einen Bruchteil der heute gegebenen Verluste reduziert werden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine in zwei Positionen,
Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Axial- turbine in zwei Positionen,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Radialturbine in zwei Positionen, Fig. 4 einen Schnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Turbomaschine in zwei Positionen sowie in
Fig. 5 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine in zwei Positionen.
Eine allgemein mit 100 bezeichnete erfindungsgemäße Turbomaschine ist in Fig. 1 näher dargestellt. Sie weist zwei Turbinenstufen 102 und 103 sowie zwei Verdichterstufen 104 und 105 auf, die alle auf einem gemeinsamen Rotationskörper 106 montiert und in einem Maschinengehäuse 101 drehbar angeordnet sind.
Der Rotationskörper 106 ist schwebend durch ein elektromagnetisches Axiallager 107 und weitere, nicht dargestellte elektromagnetische Lager gelagert. Durch das elektromagnetische Axiallager 107 kann der Rotationskörper 106 in axialer Richtung, wie schematisch dargestellt, verschoben werden. Durch die gesamte elektromagnetische Lagerung kann die Position des Rotationskörpers 106 sowohl in axialer als auch in radialer Richtung eingestellt werden. Zur Bestimmung der aktuellen Position des Rotationskörpers 106 sind ein axialer Positionssensor 108 in Form eines Induktivsensors sowie weitere berührungslose Positionssensoren vorgesehen, die ebenfalls nicht näher dargestellt sind. Mit den gemessenen Positionsdaten des Rotationskörpers 106 wird ihre Position auch bei hohen Drehzahlen genau eingestellt und es ist eine Unwuchtkompensation möglich.
Um die Sekundärströmungsverluste der Maschine 100 zu minimieren sind an den einzelnen Kompressor- und Verdichterstufen 102, 103, 104, 105 zwischen dem mit dem Rotationskörper 106 verbundenen rotierenden Teil und dem feststehenden Gehäuseteil 101 jeweils allgemein mit 110 bezeichnete Labyrinthdichtungen vorgesehen. Sie weisen am Gehäuse 101 kammartig angeordnete Dichtlamellen 111 auf. Die Kompressor- und Verdichterstufen 102, 103, 104, 105 weisen rand- seitig korrespondierende Dichtflächen 112 auf.
Um die Dichtspaltverluste der Dichtungen 110 möglichst klein zu halten, wird mittels des elektromagnetischen Axiallagers 107 die Achse derartig verschoben, dass der Abstand zwischen den Turbinenrädern 102, 103 und dem Gehäuse 101 kleiner wird, bis er sich in Ausgestaltung auf 0,005 mm reduziert hat. Dazu wird ständig die mittels des Axialsensors 108 erfasste Position des Rotationskörpers 106 mit dem einzustellenden Wert verglichen und entsprechend nachgeregelt. Dieser Zustand ist im unteren Teil von Fig. 1 dargestellt.
Um die Dichtspaltverluste der Kompressorstufen 104 und 105 ebenfalls minimieren zu können, sind Teile des den Rotationskörper 106 umgebenden Gehäuseteiles 109 relativ zum Grundgehäuse 101 und zum Rotationskörper 106 verschiebbar ausgebildet. Die Position relativ zum Rotationskörper 106 wird durch einen mit 13 bezeichneten Induktivsensor bestimmt. Durch eine nicht näher dargestellte Antriebseinheit kann der Gehäuseteil 109 axial verfahren werden.
Zur Verringerung der Dichtspaltverluste der Verdichterstufe wird abhängig von den gemessenen Positionsdaten des Gehäuseteiles 110 dieses in axialer Richtung so weit verschoben, bis der Spalt zwischen den Dichtflächen 112 der Kompressorräder 104, 105 und den feststehenden Lamellen 111 der Labyrinthdichtungen 110 den gewünschten Wert erreicht hat. Auf diese Weise werden thermische Ausdehnungen des Rotationskörpers 106 und der Gehäuseteile 101, 109 auch bei schnellem Wechsel der thermischen Belastungen ausgeglichen, ohne dass der Wirkungsgrad der Maschine aufgrund der Dichtspalt- Verluste abnimmt oder eine mechanische Berührung und damit Zerstörung der schnelldrehenden mit den feststehenden Gehäuseteilen auftreten kann.
Die in Fig. 2 teilweise dargestellte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Axialturbine 200 weist eine axial angeordnete Labyrinthdichtung 210 zwischen dem Rotationskörper 206 und dem Gehäuseteil 201 auf. Dabei weist das Gehäuse 201 einen axial verschiebbaren, im Wesentlichen zylinderförmigen Deckelteil 221 auf, der durch eine bewegliche, umlaufende Membran 222 dicht mit dem Gehäuseteil 201 verbunden ist. Der Deckelteil 221 weist den feststehenden Teil der Labyrinthdichtung 210 in Form mehrerer kammartig vorstehender Lamellen 211 auf. An der Welle sind korrespondierende, in diese Lamellen eingreifende, ebenfalls kammartig ausgebildete umlaufende Lamellen 212 angeordnet.
Durch einen nicht näher dargestellten mechanischen oder elektromechanischen Verstellmechanismus wird der zylindrische Deckel 221 relativ zum Rotationskörper 206 verschoben, so dass der Spalt 213 zwischen den feststehenden Lamellen 211 der Labyrinthdichtung und den rotierenden Lamellen 212 verringert wird, wie im Teil "b) " von Fig. 2 dargestellt.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 ist ein Radialturbinen- oder Verdichterrad 306a in einem feststehenden Gehäuseteil 301 angeordnet. An den Stirnflächen des Radialrades 306a befinden sich Labyrinthdichtungen 310, die ebenfalls wieder aus einem am Gehäuse 301 angeordneten feststehenden Teil 311 und einem am Radialrad 306a angeordneten rotierenden Teil 312 bestehen. Durch die erfindungsgemäße axiale Verschiebung des Rotationskörpers 306 kann das Radialturbinen- bzw. Verdichterrad 306a in Richtung des feststehenden Gehäuses 301 verschoben werden, wie im Bereich "b) " der Zeichnung dargestellt . Hierdurch kann der Spaltabstand der Labyrinthdichtung 310 wie bereits beschrieben eingestellt werden.
In der in Fig. 4 dargestellten Ausgestaltung der Erfindung befindet sich die Labryrinthdichtung 410 auf einer Mantelfläche zwischen einem Gehäuseteil 401 und dem Rotationskörper 406. Die Mantelfläche befindet sich auf einem Kreissegment um den Massenschwerpunkt des Rotationskörpers 406. Auch hier lässt sich, wie dargestellt, durch eine Verschiebung der Welle in axialer Richtung der Abstand zwischen den feststehenden Teilen 411 der Lamellendichtung 410 und den rotierenden Teilen 412 der Lamellendichtung 410 verkleinern bis die Spaltverluste auf ein gewünschtes Maß reduziert werden .
Durch die Anordnung auf einem Kreissegment um den Massenschwerpunkt des Rotationskörpers 406, vollzieht dieser bei einer vollständigen elektromagnetischen Lagerung um seinen Massenschwerpunkt eine Präzessionsbewegung.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausgestaltung der Erfindung mit einer zweistufigen Turbine 500 sind zwischen den beiden Turbinenrädern 506a und 506b sowie den damit korrespondierenden Mantelflächen 511a und 511b Labyrinthdichtungen 510 vorgesehen. Diese bestehen aus kammartig angeordneten, umlaufenden Lamellen 512 an den außenseitig liegenden Randflächen der Turbinenräder und hierzu korrespondierenden Mantelflächen 511 im feststehenden Gehäuse 501 der Turbine. Auch hier wird durch eine axiale Verschiebung des Rotationskörpers 506, der die Turbinenräder 506a und 506b trägt, der Spalt zwischen den Lamellen 512 und der korrespondierenden Mantelfläche 511 auf das gewünschte Maß eingestellt, wie im unteren Bereich der Fig. 5 dargestellt.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern in vielfacher Hinsicht abänderbar, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So ist neben der dargestellten einfachen Verschiebbarkeit des Rotationskörpers und der zusätzlichen Verschiebbarkeit eines Gehäuseteiles auch ein Aufbau mit noch mehr verschiebbaren Teilen und entsprechenden einstellbaren Dichtungen des Gesamtsystems möglich, ebenso wie die genaue Ausgestaltung und Position der Labyrinthdichtungen an allen technisch sinnvollen Stellen der Turbine erfolgen kann, wie anhand der unterschiedlichen Beispiele gezeigt ist, ebenso wie auch die Art der Arbeitsmaschinenteile, d.h. Turbinenstufen, Verdichterstufen, radiale oder axiale Führung der Strömungsmedien. Ausgestaltungen als Hoch-, Mittel- oder Niederdrucksysteme sind möglich, sofern das in den Ansprüchen ausgedrückte Erfindungsprinzip erhalten bleibt.

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung zur Verringerung von Dichtspaltverlusten von Turbomaschinen mit einem Gehäuse (101,201,301,401,501) und einem darin angeordneten Rotationskörper (106,206,306,406, 506), wobei zwischen Gehäuse (101,201,301,401,501) und Rotationskörper (106,206,306,406,506) wenigstens eine Labyrinthdichtung (110,210,310,410,510)angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (106,206,306,406,506) und/oder der einen feststehenden Teil (111,211,311,411,511) der wenigstens einen Labyrinthdichtung (110,210,310,410,510) tragende Gehäuseteil (120) axial verschiebbar ausgebildet ist, so dass durch Verschiebung des Rotationskörpers (106,206,306, 406,506) und/oder des Gehäuseteiles (120) die Spaltbreite der wenigstens einen Labyrinthdichtung (110,210,310,410, 510) einstellbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass wenigstens ein Sensorelement (108,113) zur Bestimmung wenigstens der Axialposition des Rotationskörpers (106) und/oder des verschiebbaren Gehäuseteiles (120) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine elektronische Regelanordnung zur axialen Positionierung des Rotationskörpers (106,206,306,406, 506) und/oder des verschiebbaren Gehäuseteiles (120) abhängig von den gemessenen Sensorinformationen vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (106,206,306,406,506) elektromagnetisch gelagert und/oder elektromagnetisch axial verfahrbar ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinthdichtung (210) in Verbindung mit einer axialen Positionierung der Welle (206) oder des Gehäuses bei einer Axialturbine (200) oder einem Axialverdichter einsetzbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinthdichtung (310) bei einer Radialturbine (300) oder einem Radialverdichter in Verbindung mit einer axialen Positonierung der Welle (306) oder des Gehäuses einsetzbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Labyrinthdichtung in Verbindung mit einer axialen Positonierung der Welle oder des Gehäuses bei einer Diagonalturbine oder einem Diagonalverdichter einsetzbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinthdichtung (410) auf zwei achssymmetrischen kreissegmentförmigen Flächen um den Massenschwerpunkt des Rotationskörpers (406) vorgesehen ist und die Labyrinthdichtung (410) jeweils am Gehäuseteil (401) und dem Rotationskörper (406) voneinander beabstandete Labyrinthstege (411,412) aufweist, wobei der Abstand der Labyrinthstege (411,412) derartig bemessen ist, dass die Arbeitswelle eine freie Präzessionsbewegung ausführen kann.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (108) als berührungslose Sensoren ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (106,206,306,406,506) auf eine Dichtspaltbreite zwischen 0,1 und 0,005 mm verfahrbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Rotationskörper (206) wenigstens bereichsweise umschließenden Gehäusedeckel (221) vorgesehen ist, an dem ein feststehender Teil (211) der Labyrinthdichtung (210) angeordnet ist und der mit einer druckfesten Membran (222) mit dem Gehäuse (201) verbunden und mechanisch oder elek- tromechanisch axial verfahrbar ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (106,206,306,406,506) bereichsweise Turbinenschaufeln trägt, die eine äußere Mantelfläche aufweisen, die als Teil einer oberen und/oder unteren radialen Labyrinthdichtung (110,210,310,410,510) ausgebildet sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein von mehr als einer Labyrinthdichtung (110) zwischen dem Rotationskörper (106) und dem Gehäuse (101,120) die Dichtspalte der einzelnen Labyrinthdichtungen (110) unabhängig voneinander regelbar sind, indem der Rotationskörper (106) und die die feststehenden Teile (111) der Labyrinthdichtungen tragenden Teile des Gehäuses (101,120) unabhängig voneinander und/oder relativ zueinander axial verschiebbar ausgebildet sind.
14. Verfahren zur Verringerung von Dichtspaltverlusten von Turbomaschinen mit einem Gehäuse (101,201,301,401,501) und einem darin angeordneten Rotationskörper (106,206,306,406, 506) mit wenigstens einer Labyrinthdichtung (110,210,310, 410,510) mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (106,206,306,406,506) axial derartig verschoben wird, dass die Spaltweite des Dichtspaltes der Labyrinthdichtung (110) in einen einstellbaren Toleranzbereich verbleibt .
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