WO2012072384A1 - Strömungsmaschine mit dichtstruktur zwischen drehenden und ortsfesten teilen sowie verfahren zur herstellung dieser dichtstruktur - Google Patents

Strömungsmaschine mit dichtstruktur zwischen drehenden und ortsfesten teilen sowie verfahren zur herstellung dieser dichtstruktur Download PDF

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WO2012072384A1 PCT/EP2011/069707 EP2011069707W WO2012072384A1 WO 2012072384 A1 WO2012072384 A1 WO 2012072384A1 EP 2011069707 W EP2011069707 W EP 2011069707W WO 2012072384 A1 WO2012072384 A1 WO 2012072384A1
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walls
turbomachine
housing
rotor
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Jens Göhler
Frank Kernstock
Olaf Rehme
Martin Schäfer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, in particular steam turbine or gas turbine, with a rotatably mounted in a housing rotor, wherein in at least one annular space between the rotor and the housing, a sealing structure is arranged.
  • This sealing structure consists of cells which open in the radial direction in the intermediate space and which are partitioned from one another by walls.
  • the openings of the cells may, for example, be honeycomb-shaped or diamond-shaped. This allows gap between the rotor comprises the rotating components of the turbomachine, and can be kept as low as possible the housing comprising the ortsfes ⁇ th components.
  • the annular gap is available for installation of the sealing structure.
  • the gap dimension for the seal between the rotor and the housing can be made smaller than the height of the annular gap into which the sealing structure is installed. Should it come due to the operation due to the small gap to a contact between the rotor and the housing, so only the sealing structure is removed or destroyed in this case, whereby the efficiency of the turbomachine deteriorates, their function is ever ⁇ but not affected.
  • the sealing structure can be provided both on the rotor (ie rotatable) and on the housing (ie stationary).
  • the sealing structure can be designed, for example, in the form of a honeycomb seal.
  • a sealing structure made of honeycomb Cells ie these cells open with hexagonal openings in the gap.
  • the cells can be formed relatively stable with very low Ma ⁇ terialaufwand. If it now comes between the sealing structure and arranged beyond the sealing gap components of the turbomachine during operation to Be ⁇ stirrings, the material of the walls of the sealing structure is rapidly removed, so that the height of the cells is reduced. As a result, however, the sealing effect of the sealing structure decreases in the further operation, since the sealing gap is increased. Otherwise, however, the function of the turbomachine is not impaired.
  • the walls of the cells of the sealing structure can also be made tilted or inclined relative to the radial direction.
  • the inclination points in the circumferential direction, in the direction in which the adjacent component relatively moves past the sealing structure.
  • This embodiment is intended to reduce the loss of a coating (for example, by spalling), which is obtained by filling the cells of the sealing structure with a comparatively soft material on the surface of the component connected to the sealing structure.
  • This material is intended to further reduce the sealing gap and, due to its soft properties, to be rapidly removed in the event of contact between rotating and stationary components.
  • the mechanical stress of this soft material could lead to the Abplat ⁇ zen this coating, the tilted walls of the sealing structure should lead to a better adhesion of this coating.
  • the invention relates to a method for producing a sealing structure for a turbomachine, in particular a steam turbine or gas turbine, with a housing in a housing. se rotatably mounted rotor.
  • the walls forming the sealing structure are produced in at least one annular space between the rotor and the housing, wherein the walls form cells which open in the radial direction in the gap.
  • the object of the invention is to provide a Strömungsma ⁇ machine with a sealing structure between the rotor and the housing, which unfolds a comparatively good Dichtwir ⁇ effect, which still remains as far as possible after touching the sealing structure with adjacent components. It is another object of the invention to provide a method for producing such a sealing structure, with which this sealing structure can be produced in sufficient accuracy.
  • the invention shown SSE inclination of the walls is, however, in the case of contact with adjacent components of the turbomachine. Due to the inclination can be advantageously achieved that the walls of the sealing structure can deform with an elastic portion, so that in the case of contact, the removal of material on the walls is reduced. As a result, the sealing effect is advantageously preserved better when the turbomachine is operated after such contact case continues.
  • the walls are inclined in the circumferential direction with respect to the radial direction, namely rectified with the relative movement of adjacent to the sealing structure parts of the turbomachine.
  • the inclination of the walls in the circumferential direction is oriented in the direction in which the surrounding parts of the turbomachine move past the sealing structure.
  • the aforementioned elastic deformation of the walls at the Be ⁇ randungsfall is further supported advantageous so that the mentioned effect can better affect.
  • the sealing effect of the sealing structure remains even better after a contact case.
  • the inclination of the walls in the circumferential direction enables a plastic deformation portion to enter the walls of the sealing structure instead of a removal of the sealing structure.
  • a further embodiment of the invention is hen vorgese that the rotor has rotatable blades in a conventional manner.
  • both the housing fixed blades (vanes) and the rotor may have rotatable blades.
  • the advantageous embodiment of the invention provides that the sealing structure is arranged in the ringförmi gene gap between the rotatable blades and the Ge housing. It is also possible to arrange the sealing Zvi ⁇ rule the stationary blades and the rotor. At this point, a housing of the seal is of particular advantage, because the fluid of the turbomachine relaxes over the blades, so that a pressure difference forms on both sides of the blades.
  • the sealing structure is composed of a plurality of circular segments which are fixed in the housing as a closed ring. If the sealing structure is made up of a plurality of circular segments, these can advantageously be produced more easily. In addition, an easier handling of the segments is possible with an exchange of the sealing structure, since they have a lower mass compared to the entire ring of the sealing structure.
  • a particular embodiment of the invention is obtained when the sealing structure consists of a plurality of circular segments which are respectively fixed on the radial ends of the blades.
  • the sealing structure can advantageously be produced directly.
  • han ⁇ delt it is circular segments that do not have closed ring but each leave the channels between the blades free.
  • a seal is not required, since in this area anyway the flow between the blades is generated through.
  • a fixed on the blades sealing structure can be advantageously replaced when the blades are worked up.
  • Another advantageous embodiment of the invention provides that the walls with openings, in particular with
  • the slots are housed in parts of the walls, which extend at least partially in the circumferential direction.
  • the ⁇ se can not be tilted in the circumferential direction, so that this claimed shearing in the event of a touch who ⁇ the. In this stress, the slots can advantageously contribute to a reduction of the occurring stresses in the walls.
  • the walls have a non-uniform wall thickness.
  • the wall thickness can be advantageously designed with respect to the load of the walls in the case of contact with adjacent components of the Strömungsma ⁇ machine. For example, it is possible to select the walls in their thickness in the region of the anchorage to the substrate low, so that the walls can elastically buckling in touch ⁇ case. If the touch is released, the wall in question can be deformed again. The edge of the wall, which adjoins with the collapsing part of the flow machine comes into contact are performed di ⁇ sugar, so it can not be as fast ablated ⁇ gen and there is consequently an elastic deformation.
  • the cells of the seal structure have uneven Zellvo ⁇ lumina. This makes it possible, for example, to adapt the shape of the cells with regard to the required sealing effect.
  • the turbulence of the flow can be influenced by the Zellgeomet ⁇ rie, whereby the sealing effect of the sealing structure is affected.
  • a particular embodiment of the invention is obtained when the cells contain a space grid anchored to the walls.
  • a space grid in the sense of the invention is to be understood as meaning a structure which contains a framework which measures the interior of the cell and thus contributes to its stabilization.
  • the space grid advantageously increases as a flow obstacle inside the cell and the sealing effect of the sealing structure.
  • destruction of the space lattice can be included in the contact case Ener ⁇ energy, the destruction can consist in deformation as well as a breaking.
  • the destruction of the space lattice significantly lessens on a loss of sealing effect than if the material of the walls of the cell is finally removed.
  • the space ⁇ grid may also be designed such that it elastically deforms in the contact case and thus at a remindverfor- tion of the cells after the contact case contributes. This can be achieved in particular by the fact that the bars forming the space grid are designed as spring elements.
  • the above-mentioned object is achieved by the ge ⁇ mentioned method according to the invention characterized in that the walls are prepared with a bed of powder-based, additive manufacturing process such as in particular the selective laser melting.
  • the sealing structure which may in particular also include undercuts and space gratings. Undercuts preferably occur on walls which are not at right angles to the substrate on which they are made. This is the case with the sealing structure according to the invention because the walls are inclined with respect to the radial direction.
  • these structures can advantageously be produced with a comparatively high accuracy, so that even very fine structures can be produced. It is also possible to produce these structures cantilevered, whereby the production of space lattices or openings in walls is possible.
  • the sealing structure is produced on a plurality of carrier structures, so that circular segments of the sealing structure are formed. These circular segments can then be assembled into an annular sealing structure, which then leads in the turbomachine to a complete seal between rotating and stationary components.
  • the support structures advantageously allow a relatively cost-effective production of the sealing structural ⁇ structure, as these with a different manufacturing process, for. As casting or bending, can be produced. Only the complex sealing structures are then produced with the comparatively more expensive powder bed-based, additive manufacturing processes.
  • the division into segments also advantageously leads to the fact that the curvature is limited in the segment. This advantageously reduces the effective height of the structure that has to be produced in the powder bed.
  • Figure 2 shows a detail of anotherforsbei ⁇ game of the flow machine according to the invention in longitudinal section
  • Figure 3 shows an embodiment of a sealing structure, as it can be used in the turbomachine according to the invention, as a three-dimensional view.
  • turbomachines The construction of turbomachines is well known. It can be axial and radial flow machines. 1 shows the section of a flow machine is Darge ⁇ provides that a gas turbine or a steam turbine may illustrate ⁇ .
  • a housing 11 of the turbomachine (representative 1 in FIG. 1 by stationary blades 21 and an annular structure IIa for receiving the blade ends) is shown only as a detail. This cutout repre sented ⁇ the fixed parts of the turbomachine, that is, those parts which are connected with a not shown base.
  • the machine has a rotor 12, which represents the rotatable parts of the turbomachine including rotating blades 13. The rotation is indicated by an arrow ⁇ .
  • a gap 14 is also provided, which serves to receive a sealing structure 15.
  • This is merely indicated in FIG. It consists of individual walls 16, each enclosing cells 17. These cells 17 are open to a sealing gap 18 in the gap 14, wherein openings of the cells improve the sealing effect.
  • the sealing structure in the housing 11 can be attached.
  • the sealing structure ⁇ 14 is produced on support structures 19, which can be used together in the housing 11.
  • the individual carrier structures then complement one another to form a circular ring, resulting in a sealing structure 15 which is closed over the entire circumference.
  • the support structures 19 with the respective parts of the sealing structure 15 produced thereon thus result in circular segments 20, which simplify the installation of the sealing structure 15 into the housing 11.
  • a said circular segment 20 of the sealing structure can also be produced at the base of the blade 13. In this way, a seal between the rotating blade and the housing 11 can also be generated.
  • Such a sealing structure 15 can as indicated in Figure 1 in addition to the arranged in the housing 11 sealing structure 15 or, as not shown in Figure 1, alone, ie without an opposite one
  • Sealing structure can be used in the housing.
  • FIG. 2 shows an axial section of a gas turbine, specifically in the region of the compression.
  • a seal alternatively takes place between the wall of the housing 11 and the blade edges of the blades 13 by the sealing structure 15 is applied to the outer blade edges.
  • Another alternative provides that a seal between the blades 13, 21 respectively takes place on the blade root or in the region of the ends of the blades.
  • the sealing structure 15 as described to figure 1 mounted on support structures 19 and anchored to the blade root of the movable show ⁇ feln. 13
  • the sealing gap 18 is formed by a ring-shaped counter-structure 23 which is attached to the ends of the fixed blades 21 and thus belongs to the housing, ie is stationary within the meaning of the invention.
  • the walls 16 of the structures 15 are designed to be inclined in the axial direction to the side of the higher pressure P 2 . Thereby, the Dichtwir ⁇ effect of the sealing structure 15 is improved.
  • a sealing structure 15 is shown enlarged as dreidi ⁇ dimensional representation. It is about a honeycomb structure that is distorted due to the inclination of the walls 16.
  • a faxsiches Koordina ⁇ tensystem xyz is located.
  • the radial direction is indicated by z.
  • the circumferential direction indicates x, which is indicated by the indicated circumferential speed ⁇ .
  • the circumferential direction in the sealing structure itself indicates the direction in which it is curved.
  • the dargestell ⁇ te small section for reasons of clarity je ⁇ but just shown, so that there is an xy plane.
  • the axial direction is indicated by y, which shows the region present in the pi compared to the P2 ge ⁇ ringere pressure.
  • the walls 16 are inclined.
  • the inclination is in one of the cells 17 dash-dotted a plane perpendicular to the z axis be ⁇ distinguished. Looking at one edge of that cell, it can be seen that this edge of the amount yi ver ⁇ slides on the plane drawn by the amount xi, and zi at an offset. Is thus clear ⁇ with respect to the rotation that the sealing structure illustrated in Figure 3 is suitable with the compo ⁇ component xi of the inclination to be mounted on a rotating member.
  • the walls may have ⁇ breakthroughs 16 in the form of slots 24th
  • These slots are mounted in those walls 16 that are more or less aligned in the xz-plane (the honeycomb structure here creates an angle of 30 ° to the x-axis). These are subjected to shear in the event of deformation of the sealing structure in the x direction, so that shear stresses are broken down by the slots 24.
  • the situation is different with the walls not slotted in the cell 17 in question, which are parallel to the yz-level. These are, so to speak, folded down during a deformation in the x-direction, this being aided by the inclination of the walls around yi / zi.
  • a space grid 25 can be attached.
  • This space lattice is shown schematically and consists of nodes 26 and struts 27.
  • the struts 27 and node 26 of the topmost level, which lies exactly in the opening of the cells 17, is shown in full.
  • wel ⁇ ches is regularly formed to be able to recognize bes ⁇ ser into the interior of the cell, are exemplary in said plane as well as in the underlying layer five unit cells of the space lattice 25 hatched in each case at their upper and lower deck surfaces shown.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einer Dichtstruktur (15) und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dichtstruktur. Die Dichtstruktur besteht aus einem offenen Verband von Zellen (17), die durch Wände (16) voneinander abgetrennt sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Wände (16) in axialer Richtung zu neigen, damit ein Strömungswiderstand der Dichtstruktur bei einem Druckabfall von p2 zu p1 besser abgedichtet werden kann. Außerdem können sich die Wände (16) vorteilhaft zumindest teilweise elastisch verformen, wenn es zu einem Schleifen der Dichtstruktur (15) an der gegenüberliegenden Dichtfläche kommt. Vorteilhaft kann diese Verformung noch unterstützt werden, wenn die Wände auch in Umfangsrichtung geneigt hergestellt werden. Vorteilhaft ist eine Herstellung insbesondere durch pulverbett-basierte, additive Fertigungsverfahren möglich.

Description

Beschreibung
Strömungsmaschine mit Dichtstruktur zwischen drehenden und ortsfesten Teilen sowie Verfahren zur Herstellung dieser Dichtstruktur
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine oder Gasturbine, mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotor, wobei in zumindest einem ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Gehäuse eine Dichtstruktur angeordnet ist. Diese Dichtstruktur besteht aus sich in radialer Richtung in den Zwischenraum öffnende Zellen, die untereinander durch Wände voneinander abgeteilt sind. Die Öffnungen der Zellen können beispielsweise waben- förmig oder auch rautenförmig sein. Hierdurch können Spalte zwischen dem Rotor, der die rotierenden Bauteile der Strömungsmaschine umfasst, und dem Gehäuse, welches die ortsfes¬ ten Bauteile umfasst, so gering wie möglich gehalten werden. Der ringförmige Zwischenraum steht zum Einbau der Dichtstruktur zur Verfügung. Dabei kann das Spaltmaß für die Dichtung zwischen Rotor und Gehäuse geringer bemessen werden, als die Höhe des ringförmigen Zwischenraums, in den die Dichtstruktur eingebaut wird. Sollte es betriebsbedingt wegen des geringen Spaltmaßes zu einer Berührung zwischen Rotor und Gehäuse kommen, so wird in diesem Fall lediglich die Dichtstruktur abgetragen bzw. zerstört, wodurch sich zwar der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine verschlechtert, ihre Funktion insgesamt je¬ doch nicht beeinträchtigt wird.
Die Dichtstruktur kann sowohl am Rotor (d. h. drehbar) als auch am Gehäuse (d. h. ortsfest) vorgesehen werden. Gemäß der EP 926 314 Bl ist beschrieben, dass die Dichtstruktur beispielsweise in Form einer Wabendichtung ausgeführt sein kann. Hiermit ist eine Dichtstruktur gemeint, die aus wabenförmigen Zellen besteht, d. h. diese Zellen öffnen sich mit sechseckigen Öffnungen in den Zwischenraum. Hierdurch können die Zellen vergleichsweise stabil bei gleichzeitig sehr geringem Ma¬ terialaufwand ausgebildet sein. Kommt es jetzt zwischen der Dichtstruktur und den jenseits des Dichtspaltes angeordneten Bauteilen der Strömungsmaschine während des Betriebs zu Be¬ rührungen, so wird das Material der Wände der Dichtstruktur schnell abgetragen, so dass sich die Höhe der Zellen verringert. Hierdurch verringert sich jedoch im weiteren Betrieb die Dichtwirkung der Dichtstruktur, da der Dichtspalt sich vergrößert. Ansonsten wird die Funktion der Strömungsmaschine jedoch nicht beeinträchtigt.
Gemäß der DE 603 19 797 T2 ist vorgesehen, dass die Wände der Zellen der Dichtstruktur auch zur radialen Richtung gekippt bzw. geneigt hergestellt werden können. Die Neigung weist in Umfangsrichtung, und zwar in die Richtung, in die das angrenzende Bauteil sich relativ an der Dichtstruktur vorbeibewegt. Diese Ausgestaltung soll den Verlust einer Beschichtung (beispielsweise durch Abplatzen) verringern, welche durch Auffüllen der Zellen der Dichtstruktur mit einem vergleichsweise weichen Material auf der Oberfläche des mit der Dichtstruktur verbundenen Bauteils erhalten wird. Dieses Material soll den Dichtspalt weiter verkleinern und aufgrund seiner weichen Eigenschaften in dem Fall einer Berührung drehender und ortsfester Bauteile schnell abgetragen werden. Die mechanische Beanspruchung dieses weichen Materials könnte zu dem Abplat¬ zen dieser Beschichtung führen, wobei die gekippten Wände der Dichtstruktur zu einem besseren Haften dieser Beschichtung führen sollen.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtstruktur für eine Strömungsmaschine, insbesondere einer Dampfturbine oder Gasturbine, mit einem in einem Gehäu- se drehbar gelagerten Rotor. Bei diesem Verfahren werden in zumindest einem ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Gehäuse die Dichtstruktur bildenden Wände erzeugt, wobei die Wände sich in radialer Richtung in den Zwischenraum öffnende Zellen bilden.
Ein solches Verfahren ist gemäß der DE 603 19 797 T2 beschrieben. Hierzu soll ein pulvergespeistes Laserschweißauf- tragsverfahren verwendet werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Strömungsma¬ schine mit einer Dichtstruktur zwischen dem Rotor und dem Gehäuse anzugeben, welche eine vergleichsweise gute Dichtwir¬ kung entfaltet, welche auch nach einer Berührung der Dichtstruktur mit angrenzenden Bauteilen noch möglichst weitgehend erhalten bleibt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dichtstruktur anzugeben, mit der sich diese Dichtstruktur in hinreichender Genauigkeit herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird mit der eingangs genannten Strömungsma¬ schine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wände in axi¬ aler Richtung einem betriebsbedingten Druckabfall in der Strömungsmaschine entgegengerichtet bezüglich der radialen Richtung geneigt sind. Die Neigung der Wände in die besagte Richtung führt dazu, dass sich die Öffnungen der Zellen sozusagen zur Seite der Dichtung mit dem höheren Druck hin öffnen. Hierdurch wird vorteilhaft die Dichtwirkung verbessert. Dies ist dadurch zu erklären, dass die Dichtstruktur nicht vollständig abdichtet, sondern aufgrund ihrer Berührungslo- sigkeit einen gewissen Leckagenstrom zulässt. Diesem Leckagenstrom sind die Öffnungen entgegengerichtet, wodurch ein höheres Strömungshindernis gegenüber dem Leckagenstrom ent¬ steht. Dieses Strömungshindernis wird durch Verwirbelungen erzeugt, welche dadurch begünstigt werden, dass der Leckage- strom einfacher in die sich ihm entgegenrichtenden Öffnungen abzweigen kann. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemä¬ ße Neigung der Wände jedoch im Fall einer Berührung mit benachbarten Bauteilen der Strömungsmaschine. Durch die Neigung kann vorteilhaft erreicht werden, dass sich die Wände der Dichtstruktur auch mit einem elastischen Anteil verformen können, so dass im Berührungsfall der Abtrag von Material an den Wänden verringert wird. Hierdurch bleibt vorteilhaft die Dichtwirkung besser erhalten, wenn die Strömungsmaschine nach einem solchen Berührungsfall weiter betrieben wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wände auch in Umfangsrichtung bezüglich der radialen Richtung geneigt sind, und zwar gleichgerichtet mit der Relativbewegung von an die Dichtungsstruktur angrenzenden Teile der Strömungsmaschine. Mit anderen Worten ist die Neigung der Wände in Umfangsrichtung in die Richtung ausgerichtet, in die die umgebenden Teile der Strömungsmaschine an der Dichtungsstruktur sich vorbeibewegen. Hierdurch wird die bereits erwähnte elastische Verformung der Wände im Be¬ rührungsfall vorteilhaft weiter unterstützt, so dass sich der angesprochene Effekt besser auswirken kann. Dies bedeutet, dass die Dichtwirkung der Dichtstruktur nach einem Berührungsfall noch besser erhalten bleibt. Auch ermöglicht die Neigung der Wände in Umfangsrichtung, dass statt eines Abtrags der Dichtstruktur ein plastischer Verformungsanteil an den Wänden der Dichtstruktur eintreten kann. Hierdurch wird sozusagen die Neigung der Wände dauerhaft vergrößert, wobei die Verzerrung des Volumens der Zellen zu einer Vergrößerung ihrer Wirkung als Strömungshindernis beitragen kann. So kann ein Verlust an Dichtwirkung, der durch eine Vergrößerung des Dichtspalts nach einem Berührungsfall der Dichtstruktur mit benachbarten Bauteilen der Strömungsmaschine zustande kommt, zumindest teilweise kompensiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, dass der Rotor in an sich bekannter Weise drehbare Schaufeln aufweist. Alternativ kann auch sowohl das Gehäuse ortsfeste Schaufeln (Leitschaufeln) als auch der Rotor drehbare Schaufeln aufweisen. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Dichtstruktur in dem ringförmi gen Zwischenraum zwischen den drehbaren Schaufeln und dem Ge häuse angeordnet ist. Auch ist es möglich, die Dichtung zwi¬ schen den ortsfesten Schaufeln und dem Rotor anzuordnen. An dieser Stelle ist eine Unterbringung der Dichtung von besonderem Vorteil, weil sich über die Schaufeln das Fluid der Strömungsmaschine entspannt, so dass sich beidseitig der Schaufeln ein Druckunterschied ausbildet. An dieser Stelle lässt sich durch eine Dichtstruktur der Leckagestrom im ring förmigen Zwischenraum zwischen Rotor und Gehäuse am wirksams ten begrenzen. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Dichtstruktur aus mehreren Kreissegmenten zusammengesetzt ist, die als geschlossener Ring in dem Gehäuse fixiert sind. Wird die Dichtstruktur aus mehreren Kreissegmenten aufgebaut, so können diese vorteilhaft leichter hergestellt werden. Außerdem ist bei einem Austausch der Dichtstruktur eine einfachere Handhabung der Segmente möglich, da diese im Vergleich zum gesamten Ring der Dichtstruktur eine geringere Masse aufweisen .
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn die Dichtstruktur aus mehreren Kreissegmenten besteht, welche jeweils auf den radialen Enden der Schaufeln fixiert sind. An den radialen Enden der Schaufeln kann die Dichtstruktur vorteilhaft direkt hergestellt werden. Hierbei han¬ delt es sich um Kreissegmente, die keinen geschlossenen Ring ergeben, sondern jeweils die Kanäle zwischen den Schaufelblättern freilassen. Hier ist jedoch eine Dichtung nicht erforderlich, da in diesem Bereich ohnehin die Strömung zwischen den Schaufelblättern hindurch erzeugt wird. Eine auf den Schaufeln fixierte Dichtstruktur kann vorteilhaft ausgetauscht werden, wenn die Schaufeln aufgearbeitet werden.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wände mit Durchbrüchen, insbesondere mit
Schlitzen, versehen sind. Hierdurch kann die Steifigkeit der Wände vorteilhaft herabgesetzt werden, damit diese in der be¬ reits beschriebenen Weise im Falle einer Berührung mit den benachbarten Teilen der Strömungsmaschine vorzugsweise elas¬ tisch oder auch plastisch verformt werden können, damit der Materialabtrag und die daraus folgende Vergrößerung des Dichtspaltes möglichst gering gehalten werden kann. Vorzugs¬ weise sind die Schlitze in Teilen der Wände untergebracht, welche zumindest teilweise in Umfangsrichtung verlaufen. Die¬ se können nämlich nicht in Umfangsrichtung gekippt werden, so dass diese im Fall einer Berührung scherend beansprucht wer¬ den. Bei dieser Beanspruchung können die Schlitze vorteilhaft zu einem Abbau der auftretenden Spannungen in den Wänden beitragen .
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wände eine ungleichmäßige Wandstärke haben. Die Wandstärke kann vorteilhaft in Bezug auf die Beanspruchung der Wände im Berührungsfall mit angrenzenden Bauteilen der Strömungsma¬ schine ausgelegt werden. Beispielsweise ist es möglich, die Wände in ihrer Dicke im Bereich der Verankerung auf der Unterlage geringer zu wählen, so dass die Wände im Berührungs¬ fall elastisch wegknicken können. Wenn die Berührung wieder aufgehoben wird, kann die betreffende Wand sich wieder rück- verformen. Dabei muss die Kante der Wand, die mit dem angren- zenden Bauteil der Strömungsmaschine in Berührung kommt, di¬ cker ausgeführt werden, damit diese nicht so schnell abgetra¬ gen werden kann und es infolgedessen zu einer elastischen Verformung kommt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zellen der Dichtstruktur ungleichmäßige Zellvo¬ lumina haben. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, die Form der Zellen hinsichtlich der erforderlichen Dichtwirkung anzupassen. Wie bereits erwähnt, können über die Zellgeomet¬ rie die Verwirbelungen der Strömung beeinflusst werden, wodurch auch die Dichtwirkung der Dichtstruktur beeinflusst wird .
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn die Zellen ein an den Wänden verankertes Raumgitter enthalten. Als Raumgitter im Sinne der Erfindung ist eine Struktur zu verstehen, die ein das Innere der Zelle durchmessendes Fachwerk enthält und so zu deren Stabilisierung beiträgt. Durch Verankerung des Raumgitters an den Wänden wird zum einen eine Fixierung in den Zellen erreicht, zum anderen können auf die Wände wirkende Kräfte in definierter Weise in das Fachwerk des Raumgitters abgeleitet werden.
Das Raumgitter erhöht vorteilhaft als Strömungshindernis im Inneren der Zelle auch die Dichtwirkung der Dichtstruktur. Durch Zerstörung des Raumgitters kann im Berührungsfall Ener¬ gie aufgenommen werden, wobei die Zerstörung sowohl in einer Verformung als auch in einem Brechen bestehen kann. Vorteilhaft wirkt sich die Zerstörung des Raumgitters wesentlich we¬ niger auf ein Verlust an Dichtwirkung aus, als wenn das Material der Wände der Zelle endgültig abgetragen wird. Das Raum¬ gitter kann auch so gestaltet werden, dass dieses sich im Berührungsfall elastisch verformt und so bei einer Rückverfor- mung der Zellen nach dem Berührungsfall beiträgt. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die das Raumgitter bildenden Stäbe als Federelemente ausgeführt sind.
Weiterhin wird die eingangs angegebene Aufgabe durch das ge¬ nannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wände mit einem pulverbett-basierten, additiven Fertigungsverfahren wie insbesondere dem selektiven Laserschmelzen hergestellt werden. Hierdurch lassen sich auf einfache Weise komplexere Geometrien der Dichtstruktur verwirklichen, die insbesondere auch Hinterschneidungen und Raumgitter enthalten können. Hinterschneidungen treten vorzugsweise bei Wänden auf, welche nicht im rechten Winkel auf der Unterlage, auf der sie hergestellt werden, stehen. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Dichtstruktur deswegen der Fall, weil die Wände gegenüber der radialen Richtung geneigt vorliegen. Mittels pulverbett-basierten Fertigungsverfahren lassen sich vorteilhaft diese Strukturen auch mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit herstellen, so dass auch sehr feine Strukturen erzeugt werden können. Auch ist es möglich, diese Strukturen freitragend herzustellen, wodurch die Herstellung von Raumgittern oder Öffnungen in Wänden möglich wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Dichtstruktur auf mehreren Trägerstrukturen hergestellt wird, so dass Kreissegmente der Dichtstruktur entstehen. Diese Kreissegmente können dann zu einer ringförmigen Dichtstruktur zusammengesetzt werden, welche in der Strömungsmaschine dann zu einer vollständigen Dichtung zwischen rotierenden und ortsfesten Bauteilen führt. Die Trägerstrukturen ermöglichen vorteilhaft eine vergleichsweise rationelle Herstellung der Dichtstruk¬ tur, da diese mit einem anderen Fertigungsverfahren, z. B. Gießen oder Biegen, hergestellt werden können. Lediglich die komplexen Dichtstrukturen werden dann mit den vergleichsweise aufwendigeren pulverbett-basierten, additiven Fertigungsverfahren hergestellt. Die Aufteilung in Segmente führt überdies vorteilhaft dazu, dass die Krümmung im Segment begrenzt ist. Hierdurch verringert sich vorteilhaft die effektive Bauhöhe der Struktur, die im Pulverbett hergestellt werden muss.
Hierzu ist zu berücksichtigen, dass die Struktur im Pulverbett schichtweise hergestellt werden muss, so dass Strukturen mit einer größeren Bauhöhe auch zu wesentlich längeren Fertigungszeiten führen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei¬ chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen :
Figur 1 einen Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine im Querschnitt,
Figur 2 einen Ausschnitt aus einem anderen Ausführungsbei¬ spiel der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine im Längsschnitt und
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Dichtstruktur, wie sie in der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine zum Einsatz kommen kann, als dreidimensionale Ansicht.
Der Aufbau von Strömungsmaschinen ist hinlänglich bekannt. Es kann sich um Axial- und Radial-Strömungsmaschinen handeln. In Figur 1 ist der Ausschnitt einer Strömungsmaschine darge¬ stellt, welche eine Gasturbine oder eine Dampfturbine dar¬ stellen kann. Ein Gehäuse 11 der Strömungsmaschine (repräsen- tiert in Figur 1 durch ortsfeste Schaufeln 21 und eine ringförmige Struktur IIa zur Aufnahme der Schaufelenden) ist lediglich als Ausschnitt dargestellt. Dieser Ausschnitt reprä¬ sentiert die ortsfesten Teile der Strömungsmaschine, d. h. diejenigen Teile, die mit einem nicht dargestellten Fundament verbunden sind. Außerdem weist die Maschine einen Rotor 12 auf, der die drehbaren Teile der Strömungsmaschine inklusive von rotierenden Schaufeln 13 repräsentiert. Die Rotation ist durch einen Pfeil ω angedeutet.
Zwischen dem Rotor 12 und dem Gehäuse 11 ist außerdem ein Zwischenraum 14 vorgesehen, der zur Aufnahme einer Dichtstruktur 15 dient. Diese ist in Figur 1 lediglich angedeutet. Sie besteht aus einzelnen Wänden 16, die jeweils Zellen 17 umschließen. Diese Zellen 17 sind zu einem Dichtspalt 18 im Zwischenraum 14 offen, wobei Öffnungen der Zellen die Dichtwirkung verbessern.
Wie Figur 1 zu entnehmen ist, kann die Dichtstruktur im Ge- häuse 11 angebracht werden. Zu diesem Zweck wird die Dicht¬ struktur 14 auf Trägerstrukturen 19 hergestellt, welche gemeinsam in das Gehäuse 11 eingesetzt werden können. Wie in Figur 1 angedeutet, ergänzen sich die einzelnen Trägerstrukturen dann zu einem Kreisring, wodurch eine über den gesamten Umfang geschlossene Dichtstruktur 15 entsteht. Die Trägerstrukturen 19 mit den jeweils auf ihnen hergestellten Teilen der Dichtstruktur 15 ergeben somit Kreissegmente 20, die den Einbau der Dichtstruktur 15 in das Gehäuse 11 vereinfachen. In Figur 1 ist an einer der Schaufeln 13 auch angedeutet, dass sich ein besagtes Kreissegment 20 der Dichtstruktur auch am Fuß der Schaufel 13 herstellen lässt. Hierdurch kann ebenfalls eine Dichtung zwischen der rotierenden Schaufel und dem Gehäuse 11 erzeugt werden. Eine solche Dichtstruktur 15 kann wie in Figur 1 angedeutet zusätzlich zu der im Gehäuse 11 angeordneten Dichtstruktur 15 oder aber, wie in Figur 1 nicht dargestellt, alleine, d. h. ohne eine gegenüberliegende
Dichtstruktur im Gehäuse verwendet werden.
In Figur 2 ist ein axialer Ausschnitt aus einer Gasturbine dargestellt, und zwar im Bereich der Verdichtung. Es gibt ortsfeste Schaufeln 21, die als Leitschaufeln fungieren und im Gehäuse 11 feststehen, und drehbare Schaufeln 13, die als Verdichterschaufel arbeiten und mit einer Welle 22 den Rotor bilden. Eine Dichtung erfolgt alternativ zwischen der Wand des Gehäuses 11 und den Schaufelkanten der Schaufeln 13, indem die Dichtstruktur 15 auf den äußeren Schaufelkanten aufgebracht ist. Eine andere Alternative sieht vor, dass eine Dichtung zwischen den Schaufeln 13, 21 jeweils am Schaufelfuß bzw. im Bereich der Enden der Schaufeln erfolgt. Die Dichtstruktur 15 ist wie zu Figur 1 beschrieben auf Tragstrukturen 19 angebracht und auf dem Schaufelfuß der beweglichen Schau¬ feln 13 verankert. Der Dichtspalt 18 wird durch eine ringför- mige Gegenstruktur 23 gebildet, die an den Enden der ortsfesten Schaufeln 21 angebracht ist und im Sinne der Erfindung somit zum Gehäuse gehört, d. h. ortsfest ist.
Im Verdichterbereich der Turbine herrschen Druckverhältnisse, die durch die angedeuteten Drücke pi und P2 charakterisiert sind. Die angesaugte Luft wird stufenweise verdichtet, so dass pi kleiner ist als P2. Um eine verbesserte Dichtwirkung in der erfindungsgemäßen Weise zu erzielen, sind die Wände 16 der Strukturen 15 in axialer Richtung zur Seite des höheren Druckes P2 geneigt ausgeführt. Hierdurch wird die Dichtwir¬ kung der Dichtstruktur 15 verbessert.
In Figur 3 ist eine Dichtstruktur 15 vergrößert als dreidi¬ mensionale Darstellung gezeigt. Es handelt sich hierbei um eine Wabenstruktur, die aufgrund der Neigung der Wände 16 verzerrt ist. Zur Orientierung ist ein kartesiches Koordina¬ tensystem x-y-z eingezeichnet. Die radiale Richtung ist durch z angegeben. Die Umfangsrichtung gibt x an, was durch die angedeutete Umfangsgeschwindigkeit ω angedeutet wird. Die Um- fangsrichtung gibt bei der Dichtstruktur an sich die Richtung an, in der diese gekrümmt ist. In Fig. 3 ist der dargestell¬ te, kleine Ausschnitt aus Gründen der Übersichtlichkeit je¬ doch eben dargestellt, so dass sich eine x-y-Ebene ergibt. Die axiale Richtung ist dabei durch y angegeben, wobei diese zum Bereich zeigt, in dem mit pi im Vergleich zu P2 der ge¬ ringere Druck vorliegt.
Wie bereits erwähnt, sind die Wände 16 geneigt. Um die Kompo¬ nenten der Neigung zu verdeutlichen, ist in eine der Zellen 17 strichpunktiert eine Ebene senkrecht zur z-Achse einge¬ zeichnet. Betrachtet man eine Kante dieser Zelle, so ist zu erkennen, dass sich diese Kante bei einem Versatz zi auf die eingezeichnete Ebene um den Betrag xi und den Betrag yi ver¬ schiebt. Unter Beachtung der Drehung ω wird also deutlich, dass die in Figur 3 dargestellte Dichtstruktur mit der Kompo¬ nente xi der Neigung geeignet ist, um auf einem drehenden Bauteil montiert zu werden.
Weiterhin ist in Figur 3 in einer der Zellen 17 zu erkennen, dass die Wände 16 Durchbrüche in Form von Schlitzen 24 auf¬ weisen können. Diese Schlitze sind in denjenigen Wänden 16 angebracht, die mehr oder weniger in der x-z-Ebene ausgerichtet sind (durch den wabenförmigen Aufbau entsteht hier ein Winkel von 30° zur x-Achse) . Diese werden im Falle einer Verformung der Dichtstruktur in x-Richtung auf Scherung beansprucht, so dass es zu einem Abbau von Scherspannungen durch die Schlitze 24 kommt. Anders liegt der Fall bei den in der betreffenden Zelle 17 nicht geschlitzten Wänden, die parallel zur y-z-Ebene verlaufen. Diese werden bei einer Verformung in x-Richtung sozusagen umgeklappt, wobei dies durch die Neigung der Wände um yi/zi unterstützt wird. In einer weiteren Zelle 17 ist exemplarisch gezeigt, wie in dieser ein Raumgitter 25 angebracht werden kann. Dieses Raumgitter ist schematisch dargestellt und besteht aus Knoten 26 und Streben 27. Die Streben 27 und Knoten 26 der obersten Ebene, die genau in der Öffnung der Zellen 17 liegt, ist vollständig dargestellt. Um den Verlauf des Raumgitters, wel¬ ches regelmäßig ausgebildet ist, in das Innere der Zelle bes¬ ser erkennen zu können, sind exemplarisch in der genannten Ebene sowie in der darunter liegenden Ebene fünf Elementarzellen des Raumgitters 25 jeweils an ihren oberen und unteren Deckflächen schraffiert dargestellt. Es ergeben sich die Ele¬ mentarzellen nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 aus Prismen mit jeweils der Grundfläche eines gleichseitigen Dreiecks und drei quadratische Seitenflächen. Hierbei sind die strichpunktiert dargestellten Verbindungen zwischen den Knoten 26 keine Streben 27, sondern gedachte Linien auf der in diesem Bereich nicht dargestellten Wand der Zelle, an der das Raumgitter 25 verankert ist. Selbstverständlich sind auch andere Gestaltungen des Raumgitters denkbar. Das Raumgitter erzeugt in den Zellen 17 bei einem Überstreichen der Dichtstruktur 15 mit einem Leckagestrom zusätzliche Verwirbelungen, die die Dichtwirkung der Dichtstruktur 15 insgesamt verbessern. Außerdem kann durch Verformung der Raumgitterstruktur im Falle der Verformung der Zellen 17 Energie abgebaut werden, um den Schadensfall im Falle eines Schleifens der Dichtstruktur 15 an nicht dargestellten benachbarten Bauteilen zu begrenzen.

Claims

Patentansprüche
1. Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine oder Gastur¬ bine, mit einem in einem Gehäuse (11) drehbar gelagerten Ro- tor ( 12 ) , wobei
• in zumindest einem ringförmigen Zwischenraum (14) zwischen dem Rotor (12) und dem Gehäuse eine Dichtstruktur (15) angeordnet ist und
• die Dichtstruktur (15) aus sich in radialer Richtung in den Zwischenraum (14) öffnenden Zellen (17) besteht, die untereinander durch Wände (16) voneinander abgeteilt sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Wände (16) in axialer Richtung einem betriebsbeding- ten Druckabfall in der Strömungsmaschine entgegengerichtet bezüglich der radialen Richtung geneigt sind.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Wände auch in Umfangsrichtung mit einer Relativbewegung eines an die Dichtstruktur (15) angrenzenden Teils der Strömungsmaschine gleichgerichtet bezüglich der radialen Richtung geneigt sind.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
• der Rotor (12) drehbare Schaufeln (13) oder das Gehäuse ortsfeste sowie der Rotor drehbare Schaufeln (13, 21) aufweisen,
· die Dichtstruktur (15) in dem ringförmigen Zwischenraum
(14) zwischen den drehbaren Schaufeln (13) und dem Gehäuse und/oder den ortsfesten Schaufeln (21) und dem Rotor angeordnet ist.
4. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Dichtstruktur (15) aus mehreren Kreissegmenten (20) zusammengesetzt ist, die als geschlossener Ring in dem Gehäu¬ se fixiert sind.
5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Dichtstruktur aus mehreren Kreissegmenten (20) besteht, welche jeweils auf den radialen Enden der Schaufeln (13, 21) fixiert sind.
6. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Wände (16) mit Durchbrüchen, insbesondere mit
Schlitzen (24) versehen sind.
7. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Wände (16) eine ungleichmäßige Wandstärke haben.
8. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Zellen (17) der Dichtstruktur (15) ungleichmäßige Zellvolumina haben.
9. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Zellen (17) ein an den Wänden (16) verankertes Raumgitter (25) enthalten.
10. Verfahren zum Herstellen einer Dichtstruktur für eine Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine oder Gasturbine, mit einem in einem Gehäuse (11) drehbar gelagerten Rotor ( 12 ) , bei dem
· in zumindest einem ringförmigen Zwischenraum (14) zwischen dem Rotor (12) und dem Gehäuse die Dichtstruktur bildende Wände (16) erzeugt werden, wobei
• die Wände (16) sich in radialer Richtung in den Zwischenraum (14) öffnende Zellen (17) bilden,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Wände (16) mit einem pulverbett-basierten, additiven Fertigungsverfahren, insbesondere selektiven Laserschmelzen hergestellt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Wände (16)
• in axialer Richtung einem betriebsbedingten Druckabfall in der Strömungsmaschine entgegengerichtet und/oder · in Umfangsrichtung mit einer Relativbewegung eines an die Dichtstruktur (15) angrenzenden Teils der Strömungsmaschine gleichgerichtet
bezüglich einer radialen Richtung gekippt hergestellt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Dichtstruktur (15) auf mehreren Trägerstrukturen (19) hergestellt sind, so dass Kreissegmente (20) der Dicht¬ struktur (15) entstehen.
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