WO2008106931A1 - Dichtelement zur abdichtung eines spaltes zwischen stator und rotor einer axialen strömungsmaschine - Google Patents

Dichtelement zur abdichtung eines spaltes zwischen stator und rotor einer axialen strömungsmaschine Download PDF

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brush seal
rotor
sealing
stator
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Stefan Beichl
Stephan Pröstler
Alois NIEDERSÜSS
Oliver Schmidt
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Mtu Aero Engines Gmbh
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    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3284—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings characterised by their structure; Selection of materials
    • F16J15/3288—Filamentary structures, e.g. brush seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D11/001—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between stator blade and rotor
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    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/55—Seals
    • F05D2240/56—Brush seals

Definitions

  • the present invention relates to a sealing element for sealing a gap between the stator and rotor of an axial flow machine according to the preamble of claim 1.
  • the invention particularly aims at gas turbines in at least partially axial design for mobile and stationary applications, but it may also be of interest, for example, for steam turbines. Specifically, this concerns the sealing area between vanes and rotor within the flow channel. In particular, compressor stages are of interest here, since there are sometimes high pressure differences between the individual stages. In gas turbine technology, this area is often referred to as the Inner-Air-Seal (IAS) or the Inner Airflow.
  • IAS Inner-Air-Seal
  • DE 196 28 559 A1 A further development of DE 196 28 559 A1 is described in DE 101 22 732 A1.
  • a disadvantage of this improved inner air seal is that heat can be introduced into these areas by rubbing the brush seal in regions of the rotor or the blade platform that are critical for strength.
  • a "self-reinforcing system” may arise in which the rotor grows into the seal.
  • the object of the present invention is therefore to provide an improved seal of an inner air seal, which avoids the disadvantages of the prior art mentioned.
  • the repair and maintenance of the inner-air seals should be considerably simplified and the radial space requirement in the turbomachine should be reduced by the solution according to the invention.
  • An inventive sealing element for sealing a gap between the stator and the rotor of an axial flow machine in the foot region of a stator belonging to the stator blade is therefore characterized in that the sealing element as in formed axially parallel brush seal with respect to the turbomachine, which seals against a radially on the rotor protruding mating surface.
  • the axially extending bristles meet perpendicular to the sealing or mating surface and do not affect them.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the rotor is provided with a circumferential fin for receiving the mating surface for the brush seal.
  • the mating surface can be polished and / or provided with a layer with a low coefficient of friction. In contrast to the known state of the art, this is a component mounted on the rotor which does not effect a seal against a shroud or blade platform.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the brush seal is arranged directly in the vane segment.
  • the sealing element may be incorporated directly into the rotor-side guide blade root in the present invention. This can be done, for example, by caulking the vane segment and corresponding segmentation.
  • the brush seal may also be segmented and overlap a plurality of vane segments.
  • Another advantageous embodiment of the invention provides that the brush seal is designed as a circumferential brush seal. In this case, the bristles of the brush seal can be clamped frictionally, welded by means of a weld, soldered or glued. The latter, however, reduces the temperature resistance of the sealing element.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the brush seal between two compressor stages, in particular between two
  • High-pressure compressor stages is arranged.
  • the brush seal is designed so that it withstands the high pressure and temperature gradient prevailing in the high pressure compressor. This can be achieved on the one hand by appropriate choice of material of the bristles and / or by appropriate support and stiffening rings to support the bristles.
  • Yet another advantageous embodiment of the invention provides that the brush seal is non-hermetically sealed.
  • the brush seal has heat-resistant bristles.
  • These may be, for example, wire-like bristles or bristles of heat-resistant synthetic fibers or mixtures thereof.
  • the bristles should have a sufficient inherent rigidity, on the one hand to be able to ensure a sufficient contact pressure against the mating surface and on the other hand to be able to withstand the pressure difference between two high-pressure compressor stages without great bending.
  • FIG. 1 shows the single figure in a simplified, not to scale representation of a partial longitudinal section through a gas turbine in the region of an inner air seal.
  • the figure shows a sealing element I 5 according to the invention which is used in the region of a rotor 2 of a high-pressure compressor as an inner air seal.
  • a blade 3 of a first stage is shown axially followed by a guide blade 5 and a blade 4 of the second stage.
  • the attachment of the individual blades on the rotor or on the housing will not be discussed in more detail below, since they can be made in a manner known to those skilled in the art.
  • On the left side of the vane 5, ie upstream is an area 13 of lower pressure.
  • To the right of the vane 5, ie downstream, is an area 14 of higher pressure.
  • the foot 3 of the guide vane 2 extends radially inwardly, here down to the actual sealing area on the rotor. All the vanes 2 together, including their feet 3, form a rotor-concentric rim having a substantially radial blade orientation.
  • the vanes are often integrally connected, e.g. As in the form of a cast or welded construction, it is common in larger machines to combine a plurality of blades integral to a segment, in which case a plurality of such segments form a vane ring. Between the segments there are joints which, if necessary, are bridged with suitable sealing elements. In extreme cases, each individual vane forms a separate component, which can facilitate assembly.
  • a circumferential brush sealing ring 15 is arranged on the feet of the guide vanes 5.
  • the sealing element 1 separates during operation of the Compressor a region 14 with higher operating pressure pl of a region 13 with lower operating pressure p2.
  • the sealing element 1 shown in the figure is formed by a brush sealing ring 15, the brush element is stabilized by means of a stiffening ring.
  • a stiffening ring Such a design lends itself to geometries with a larger diameter, in which the brush element of a clamping ring 7, a core 8 and bristles 9 would not be sufficiently dimensionally stable.
  • the stiffening ring 6 is guided around the outer periphery of the clamping ring 7 and is continued on the side of the higher operating pressure in an integral support ring 10.
  • the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use.

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Abstract

Ein Dichtelement zur Abdichtung eines Spaltes zwischen Stator und Rotor einer axialen Strömungsmaschine im Fußbereich einer zum Stator gehörenden Leitschaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement als im wesentlichen in Bezug auf die Strömungsmaschine achsparallele Bürstendichtung ausgebildet ist, die gegen eine radial am Rotor hervorstehende Gegenlauffläche abdichtet. Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte Abdichtung einer Inner- Air- Seal zur Verfügung gestellt. Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Lösung die Instandsetzung und Wartung der Inner-Air-Seals deutlich vereinfacht und der radiale Platzbedarf in der Turbomaschine verringert.

Description

DICHTELEMENT ZUR ABDICHTUNG EINES SPALTES ZWISCHEN STATOR UND ROTOR EINER AXIALEN STRÖMUNGSMASCHINE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtelement zur Abdichtung eines Spaltes zwischen Stator und Rotor einer axialen Strömungsmaschine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die Erfindung zielt insbesondere auf Gasturbinen in zumindest teilweise axialer Bauart für mobile und stationäre Anwendungen ab, sie kann aber beispielsweise auch für Dampfturbinen von Interesse sein. Dabei geht es konkret um den Dichtungsbereich zwischen Leitschaufeln und Rotor innerhalb des Strömungskanals. Insbesondere sind hier Verdichterstufen von Interesse, da hier mitunter hohe Druckdifferenzen zwischen den einzelnen Stufen vorhanden sind. In der Gasturbinentechnik wird dieser Bereich häufig als ,Inner-Air-Seal' (IAS) oder Innerer Luftabschluss bezeichnet.
Bisher wird eine Abdichtung im Inner- Air-Seal Bereich bei herkömmlichen Triebwerken durch Labyrinthdichtungen erreicht. Dies erfordert einen hohen radialen Platzbedarf und verursacht erheblichen logistischen Aufwand bei Montage und Wartung.
Eine andere Lösung wird in der DE 196 28 559 Al beschrieben. Dieser Stand der Technik beschreibt eine gattungsgemäße Anordnung für die Inner Air Seal mit einem statorzugehörigen, an den Leitschaufelfüßen mittels einer Speichenzentrierung gelagerten Bürstendichtring, der zusammen mit einer zylindrischen Rotorfläche eine definiert durchlässige Fluidsperre bildet. Dabei kann das Produkt aus Druckdifferenz und wirksamer Fläche zu einer beachtlichen Axialkraft auf den Bürstendichtring führen. Dies hat hohe Reibung und Verschleiß (Fretting etc.) zur Folge. Bei der Inner Air Seal ist es in der Regel so, dass die radial außen am Gehäuse aufgehängten Leitschaufeln bei Heißgasbeaufschlagung radial nach innen, d. h. zum Bürstendichtring hin, "wachsen" und sich bei Abkühlung wieder radial nach außen "zurückziehen". Dies geschieht bei jeder thermischen Be- und Entlastung. Abgesehen von Reibung und Verschleiß kann auch die "freie" Zentrierung behindert werden, so dass sich ggf. der Bürstendichtring verformt, und damit die Dichtwirkung verändert wird.
Eine Weiterbildung der DE 196 28 559 Al wird in der DE 101 22 732 Al beschrieben. Nachteilig bei diesem verbesserten Inner Air Seal ist, dass durch das Anstreifen der Bürstendichtung in festigkeitskritischen Bereichen des Rotors bzw. der Schaufelplattform Wärme in diese Bereiche eingeleitet werden kann. Außerdem kann bei ungünstigen Betriebsbedingungen ein „selbstverstärkendes System" entstehen, bei dem Der Rotor in die Dichtung wächst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Abdichtung einer Inner- Air- Seal zur Verfügung zu stellen, welche die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll durch die erfindungsgemäße Lösung die Instandsetzung und Wartung der Inner- Air- Seals deutlich vereinfacht und der radiale Platzbedarf in der Turbomaschine verringert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Dichtelement zur Abdichtung eines Spaltes zwischen Stator und Rotor einer axialen Strömungsmaschine im Fußbereich einer zum Stator gehörenden Leitschaufel, ist daher dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement als im wesentlichen in Bezug auf die Strömungsmaschine achsparallele Bürstendichtung ausgebildet ist, die gegen eine radial am Rotor hervorstehende Gegenlauffläche abdichtet. Die axial verlaufenden Borsten treffen dabei senkrecht auf die Dicht- oder Gegenlauffläche und tangieren diese nicht. Beim Anlaufen der Bürstendichtung an der Gegenlauffläche wird die Wärme nicht in festigkeitskritische Bereiche des Rotors bzw. der Schaufelplattform eingeleitet und es wird kein „selbstverstärkendes System" erzeugt, bei dem der Rotor in die Dichtung „wächst".
Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte Abdichtung einer Inner- Air-Seal zur Verfügung gestellt. Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Lösung die Instandsetzung und Wartung der Inner-Air- Seals deutlich vereinfacht und der radiale Platzbedarf in der Turbomaschine verringert.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass am Rotor eine umlaufende Finne zur Aufnahme der Gegenlauffläche für die Bürstendichtung vorgesehen ist. Die Gegenlauffläche kann dabei poliert und/oder mit einer Schicht mit niedrigem Reibungskoeffizienten versehen sein. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik handelt es sich hierbei um ein am Rotor angebrachtes Bauteil, welches gerade nicht eine Abdichtung gegen ein Deckband oder eine Laufschaufelplattform bewirkt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Bürstendichtung direkt in dem Leitschaufelsegment angeordnet ist. Das Dichtelement kann bei der vorliegenden Erfindung direkt in den rotorseitigen Leitschaufelfuß eingebaut sein. Dies kann beispielsweise durch Stemmen des Leitschaufelsegments und entsprechendes Segmentieren geschehen. Die Bürstendichtung kann auch segmentiert sein und mehrere Leitschaufelsegmente übergreifen. Eine andere vorteilhafte Ausfuhrungsform der Erfindung sieht vor, dass die Bürstendichtung als umlaufender Bürstendichtring ausgebildet ist. Dabei können die Borsten des Bürstendichtrings reibschlüssig geklemmt, mittels einer Schweißnaht geschweißt, gelötet oder geklebt sein. Letzteres verringert allerdings die Temperaturbeständigkeit des Dichtelements.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Bürstendichtung zwischen zwei Verdichterstufen, insbesondere zwischen zwei
Hochdruckverdichterstufen angeordnet ist. Die Bürstendichtung ist dabei so ausgelegt, dass sie den im Hochdruckverdichter herrschenden hohen Druck- und Temperaturgradienten widersteht. Dies kann einerseits durch entsprechende Materialwahl der Borsten und/oder durch entsprechende Stütz- und Versteifungsringe zur Unterstützung der Borsten erreicht werden.
Noch eine weitere vorteilhafte Ausfuhrungsform der Erfindung sieht vor, dass die Bürstendichtung nicht-hermetisch dichtend ausgebildet ist.
Schließlich sieht eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Bürstendichtung warmfeste Borsten aufweist. Dies können beispielsweise drahtartige Borsten oder Borsten aus hochwarmfesten Kunstfasern oder Mischungen daraus sein. Die Borsten sollen Dabei eine ausreichende Eigensteifigkeit aufweisen, um einerseits einen ausreichenden Anpressdruck gegen die Gegenlauffläche gewährleisten zu können und um andererseits auch der zwischen zwei Hochdruckverdichterstufen anliegenden Druckdifferenz ohne große Verbiegung standhalten zu können.
Die Erfindung wird nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt. Dabei zeigt die einzige Figur in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung einen Teillängsschnitt durch eine Gasturbine im Bereich einer Inner Air Seal.
Die Figur zeigt ein erfmdungsgemäßes Dichtelement I5 das im Bereich eines Rotors 2 eines Hochdruckverdichters als Inner Air Seal zur Anwendung kommt. Darin ist in Strömungsrichtung (Pfeil A) eine Laufschaufel 3 einer ersten Stufe axial gefolgt von einer Leitschaufel 5 und einer Laufschaufel 4 der zweiten Stufe dargestellt. Auf die Befestigung der einzelnen Schaufeln am Rotor bzw. am Gehäuse wird nachfolgen nicht näher eingegangen, da sie in dem Fachmann bekannter Weise erfolgen kann. Während des Betriebs des Verdichters befindet sich links der Leitschaufel 5, d. h. stromaufwärts, ein Bereich 13 niedrigeren Drucks. Rechts der Leitschaufel 5, d.h. stromabwärts, befindet sich ein Bereich 14 höheren Drucks.
Zu letzterem gehört auch eine mitrotierende, zylindrische Dichtfläche 7. Der Fuß 3 der Leitschaufel 2 erstreckt sich radial nach innen, hier nach unten, bis in den eigentlichen Dichtungsbereich am Rotor. Alle Leitschaufeln 2 zusammen, einschließlich ihrer Füße 3, bilden einen rotorkonzentrischen Kranz mit im wesentlichen radialer Schaufelorientierung. Bei kleineren Gasturbinen sind die Leitschaufeln häufig integral verbunden, z. B. in Form einer gegossenen bzw. geschweißten Konstruktion, bei größeren Maschinen ist es üblich, mehrere Schaufeln integral zu einem Segment zusammenzufassen, wobei dann mehrere solcher Segmente einen Leitschaufelkranz bilden. Zwischen den Segmenten sind Trennfugen vorhanden, die bedarfsweise mit geeigneten Dichtungselementen überbrückt werden. Im Extremfall bildet jede einzelne Leitschaufel ein separates Bauteil, was die Montage erleichtern kann.
Als statisches Dichtungselement ist ein umlaufender Bürstendichtring 15 an den Füßen der Leitschaufeln 5 angeordnet. Das Dichtelement 1 trennt während des Betriebs des Verdichters einen Bereich 14 mit höherem Betriebsdruck pl von einem Bereich 13 mit niedrigerem Betriebsdruck p2.
Lediglich die sehr kleine, ringförmige Borstenfläche zwischen Gegenlauffläche 12 und Stützring 10 wird durch den Differenzdruck pl - p2 belastet, so dass sich nur eine kleine resultierende Radialkraft auf die Borstenenden und den Stützring 10 ergibt.
Das in der Figur gezeigte Dichtelement 1 ist durch einen Bürstendichtring 15 gebildet, dessen Bürstenelement mittels eines Versteifungsringes stabilisiert ist. Eine solche Ausführung bietet sich für Geometrien mit größerem Durchmesser an, bei denen das Bürstenelement aus einem Klemmring 7, einem Kern 8 und Borsten 9 für sich nicht mehr ausreichend formstabil wäre. Der Versteifungsring 6 ist um den Außenumfang des Klemmringes 7 geführt und ist auf der Seite des höheren Betriebsdruckes in einem integralen Stützring 10 fortgesetzt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Dichtelement zur Abdichtung eines Spaltes zwischen Stator und Rotor einer axialen Strömungsmaschine im Fußbereich einer zum Stator gehörenden Leitschaufel, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement als im wesentlichen in Bezug auf die Strömungsmaschine achsparallele Bürstendichtung ausgebildet ist, die gegen eine radial am Rotor hervorstehende Gegenlauffläche abdichtet.
2. Dichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotor eine umlaufende Finne zur Aufnahme der Gegenlauffläche für die Bürstendichtung vorgesehen ist.
3. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung segmentiert und jeweils in ein Leitschaufelsegment eingebaut ist, oder dass die Bürstendichtung segmentiert ist und mindestens zwei Leitschaufelsegmente übergreift.
4. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung als umlaufender Bürstendichtring ausgebildet ist.
5. Dichtelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung zwischen zwei Verdichterstufen, insbesondere zwischen zwei Hochdruckverdichterstufen angeordnet ist.
Dichtelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung nicht-hermetisch dichtend ausgebildet ist.
7. Dichtelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstendichtung warmfeste Borsten aufweist.
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