WO2018192846A1 - Wellendichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung (2) zum Abdichten eines Wellenspalts (5) zwischen einer Welle (3) und einer weiteren Maschinenkomponente, umfassend mehrere Dichtsegmente (4), die in eine Umfangsrichtung (U) um die Welle (3) anordenbar sind und wobei die Dichtsegmente (4) jeweils einen federnd gelagerten Schuh (22) aufweisen, der als Reaktion auf einen Fluiddruck sich derart radial bewegt, dass eine berührungslose Abdichtung der Welle (2) entsteht. Je zwei aneinander anliegende Dichtsegmente(4) sind formschlüssig miteinander verbunden. Zur Reduzierung einer Leckage in eine Radialrichtung (R) weist ein Dichtsegment (4) zusätzlich zur formschlüssigen Verbindung ein längliches Dichtelement (12) auf, wobei das Dichtelement (12) sich zumindest teilweise in Umfangsrichtung (U) erstreckt und in eine korrespondierende Aufnahme (14) des anliegenden Dichtsegments (4) hineingreift.

Description

Beschreibung Wellendichtung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellendichtung zum Abdichten eines Wellenspalts zwischen einer Welle und einer weiteren Maschinenkomponente, umfassend mehrere Dichtsegmen^¬ te, die in eine Umfangsrichtung um die Welle anordenbar sind, wobei die Dichtsegmente jeweils einen federnd gelagerten Schuh aufweisen, der als Reaktion auf einen Fluiddruck sich derart radial bewegt, dass eine berührungslose Abdichtung der Welle entsteht.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Turbomaschine mit einer solchen Wellendichtung sowie eine Verfahren zum Herstellen einer solchen Wellendichtung.

Bei Gasturbinen, Turboladern oder Verdichtern werden Gase entlang ihrer Durchflussrichtung axial zu einer rotierenden Welle in einem in der Regel mehrstufigen Prozess verdichtet oder entspannt. Um den Wirkungsgrad eines Verdichters oder einer Turbine zu erhöhen, wird dabei ein Gasraum vor einer entsprechenden Verdichter- oder Expansionsstufe gegenüber einem Gasraum hinter dieser Verdichter- oder Expansionsstufe abgedichtet, um die Leckage zu reduzieren. Dazu werden z.B.

Labyrinthdichtungen, Bürstendichtungen oder sogenannte Blattdichtungen verwendet.

Labyrinthdichtungen sind klassische Dichtelemente im Turboma- schinenbau. Sie werden gut beherrscht und sind für die Her^¬ steller vergleichsweise einfach und kostengünstig zu ferti^¬ gen. Nachteile der Labyrinthdichtungen liegen in der vergleichsweise geringen Toleranz für große Läuferbewegungen, die häufig großen Verschleiß zur Folge haben. Als Verbesse- rung ist der Konstrukteur gezwungen, entsprechend große

Spaltmaße bereitzustellen, was sich negativ auf die Dichtwirkung und die Leistung auswirkt. Bürstendichtungen weisen Drahtpakete auf, welche in alle Richtungen elastisch sind und daher schlecht geeignet, um ei^¬ ne höhere Druckdifferenz abzudichten, da die Bürsten ausweichen. Zur Unterstützung der Bürsten werden zum Teil Stützrin- ge vorgesehen. Kommt der Rotor der Bürste näher, so federt diese zurück, wobei bei höheren Druckdifferenzen ein vergleichsweise breiter Spalt entsteht.

Blattdichtungen bieten hier deutliche Vorteile, da die ein- zelnen Plattenelemente der Blattdichtungen deutlich steifer als die Bürsten der Bürstendichtung sind. Blattdichtungen haben gegenüber Bürstendichtungen jedoch den Nachteil, dass die Plattenelemente beim Anlaufen einer rotierenden Welle ein vergleichsweise hohes Reibmoment erzeugen. Durch die Ausbil- dung eines engen, aber axial längeren Dichtspaltes entlang der Grenze zweier benachbarter Plattenelemente muss sich der Konstrukteur beim Einsatz einer Blattdichtung auf den Erhalt dieses Dichtspaltes über die Betriebsdauer der Blattdichtung verlassen .

Bekannt sind auch kontaktlose Dichtungen, welche die Schwan^¬ kungen im hydrostatischen Druck ausnutzen, um den Spalt zum Rotor auf einer Höhe im Bereich von Hundertsteln eines Millimeters zu minimieren. Eine solche Wellendichtung ist in der EP 2 279 364 Bl beschrieben. Die Beschleunigung des Fluids zwischen der Dichtung und dem Rotor generiert einen Niederdruckbereich, der die Dichtung in Richtung zum Rotor hin zieht. Diese Dichtungen umfassen mehrere um den Umfang des Rotors angeordnete Dichtsegmente, die miteinander verbunden sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz einer Turbomaschine zu erhöhren, indem eine Wellendichtung mit mehreren Dichtsegmenten bereitgestellt wird, bei der Leckagen in einer Radialrichtung zwischen den Dichtsegmenten minimiert sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wellen^¬ dichtung zum Abdichten eines Wellenspalts zwischen einer Wel- le und einer weiteren Maschinenkomponenten, umfassend mehrere Dichtsegmente, die in einer Umfangsrichtung um die Welle anordenbar sind, wobei die Dichtsegmente jeweils einen fe^¬ dernd gelagerten Schuh aufweisen, der als Reaktion auf einen Fluiddruck sich derart radial bewegt, dass eine berührungslo^¬ se Abdichtung der Welle entsteht, wobei je zwei aneinander anliegende Dichtsegmente formschlüssig miteinander verbunden sind und zusätzlich zur formschlüssigen Verbindung ein Dichtsegment ein längliches Dichtelement zur Reduzierung einer Le- ckage in eine Radialrichtung aufweist, wobei das Dichtelement sich zumindest teilweise in Umfangsrichtung erstreckt und in eine korrespondierende Aufnahme des anliegenden Dichtsegments hineingreift . Bei der Wellendichtung handelt es sich um eine berührungslose Dichtung, d.h. in der Regel ist kein mechanischer Kontakt zwischen der Wellendichtung und der Welle vorgesehen. Die Wellendichtung ist insbesondere lediglich an der weiteren Maschinenkomponente, welche bevorzugt eine stationäre Maschi- nenkomponente ist, befestigt.

Die Erfindung basiert auf der Überlegung, die Spalte zwischen den Dichtsegmenten der Wellendichtung zu verschließen und somit die Dichtwirkung der Wellendichtung in Radialrichtung zu optimieren. Hierzu weist jedes der Dichtsegmente zumindest ein längliches Dichtelement auf, welches zumindest teilweise in Umfangsrichtung hinausragt und in eine Aufnahme des an^¬ grenzenden Dichtsegments hineingreift. Unter „länglich" wird hierbei verstanden, dass das Dichtelement eine im Verhältnis zur Breite größere Länge aufweist. Es können hierbei auch mehrere Dichtelemente vorgesehen sein.

Durch die Wechselwirkung zwischen dem Dichtelement eines ersten Dichtsegments und der Aufnahme eines weiteren, benachbar- ten Dichtsegments wird der direkte Weg in Radialrichtung für ein Fluid zwischen den Dichtsegmenten versperrt. Auf diese Weise wird eine radiale Leckage deutlich reduziert oder gar verhindert, wodurch die Effizienz der Wellendichtung vergrö- ßert sowie die Lebensdauer der gesamten Konstruktion erheblich verlängert wird, da der Eintritt von Fluid in den Dich^¬ tungskörper verhindert wird. Darüber hinaus besteht durch das Dichtelement die Möglichkeit einer weiteren Verbindung von benachbarten Dichtsegmenten, wodurch insgesamt die Stabilität der mehrteiligen Wellendichtung erhöht wird. Eine solche Wellendichtung zeichnet sich daher durch verbesserte Dichtwirkung und Leistungsfähigkeit aus. Bevorzugt ist das Dichtelement in Radialrichtung betrachtet in einer radial inneren Hälfte des jeweiligen Dichtsegments angeordnet. Mit anderen Worten befindet sich das Dichtelement näher an der radial inneren Seite des Dichtelements, die der Welle zugewandt ist, als an der radial äußeren Seite des Dichtelements, die der Welle abgewandt ist. Hierdurch setzt die Dichtwirkung des Dichtelements möglichst nahe an der Wel^¬ le ein, so dass eine radiale Ausbreitung des Fluids im Spalt zwischen zwei Dichtsegmenten möglichst früh verhindert wird. Insbesondere ist das Dichtelement in Radialrichtung näher an der Welle als die formschlüssige Verbindung zwischen je zwei benachbarten Dichtsegmenten, d.h. von der Welle aus betrachtet, erfolgt zuerst die Abdichtung zwischen den anliegenden Dichtsegmenten und dann weiter außen in Radialrichtung sind Verbindungselemente vorhanden, welche die Dichtsegmente mit- einander verbinden.

Vorzugsweise ist das Dichtelement integraler Bestandteil des jeweiligen Dichtsegments. Dies bedeutet, dass das Dichtseg^¬ ment und das Dichtelement einstückig ausgebildet sind. Die Ausbildung des Dichtelements ist dabei im Fertigungsprozess der Dichtung integriert, insbesondere wird das Dichtsegment mit dem Dichtelement in einem einzigen Schritt im Rahmen eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind das Dichtelement und die korrespondierende Aufnahme am benachbarten Dichtsegment als eine Labyrinthdichtung ausgeführt. Die Labyrinthdichtung beruht auf einer Verlängerung des Strömungsweges durch den abzudichtenden Spalt, wodurch der Strömungswiderstand wesent^¬ lich erhöht wird. Die Wegverlängerung wird hierbei dadurch erreicht, dass das Dichtelement in die Aufnahme hineingreift und somit den Weg zwischen den benachbarten Dichtsegmenten durch die Aufnahme umleitet.

Vorteilhafterweise ist das Dichtelement schräg zu Radialrich^¬ tung ausgeführt. Der Winkel des Dichtelements ist insbesonde^¬ re derart eingestellt, dass er die Bewegungsrichtung des Dichtelements, die eine Komponente in Radialrichtung und eine in Umfangsrichtung aufweist, wiedergibt. Auf diese Weise wird ein konstanter Abstand zwischen dem Dichtelement und der Wandung der Aufnahme im benachbarten Dichtsegment sicherge^¬ stellt .

Zweckdienlicherweise weist das Dichtelement im Bereich eines freien Endes eine Verdickung, insbesondere eine kreisrunde Verdickung, auf. Eine Verdickung am Ende des Dichtelements verkleinert weiterhin den Abstand zur Wandung der Aufnahme, so dass der Weg des Fluids weiter verengt wird. Zudem hat ei^¬ ne kreisrunde Verdickung den Vorteil, dass, wenn das Dicht^¬ element mit seinem Ende die Wand der Aufnahme berührt, der Kontakt im Wesentlichen punktuell oder zumindest auf einer minimalen Fläche reduziert ist. Denkbar ist auch, dass ein permanenter Tangentialkontakt zwischen der insbesondere kreisrunden Verdickung des Dichtelements und der Wandung der Aufnahme besteht, wodurch eine zusätzliche Führung der Dicht^¬ segmente gewährleistet ist. Gemäß einer alternativen Ausführung sind das Dichtelement und die korrespondierende Aufnahme als eine Reibdichtung ausge^¬ führt, bei der ein mechanischer Kontakt zwischen dem Dichtelement und der Wandung der Aufnahme vorliegt. Das Dichtele^¬ ment ist hierbei insbesondere vorgespannt. Eine derartige Reibdichtung gewährleistet zum einen eine besonders gute

Dichtwirkung, zum anderen kann der Druck, den das vorgespannte Dichtelement auf das benachbarte Dichtsegment ausübt, eine mechanische Anregung des benachbarten Dichtsegments dämpfen. Im Hinblick auf eine besonders wirkungsvolle Abdichtung weist das freie Ende des Dichtelements bevorzugt eine abgeflachte Fläche zum Auflegen auf der Wandung der Aufnahme auf.

Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine mit einer solchen Wellendichtung . Die Aufgabe wird schließlich erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Wellendichtung, wobei die Wellendichtung mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt wird. Der Vorteil beim Einsatz eines ge^¬ nerativen Fertigungsverfahrens ist, dass Dichtsegmente mit komplexer Geometrie einfach und schnell angefertigt werden können, insbesondere kann dabei das Dichtelement einstückig mit dem jeweiligen Dichtsegment ausgeführt werden.

Die im Zusammenhang mit der Wellendichtung bereits angeführ- ten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Turbomaschine und das Herstellungsverfahren übertragen .

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich- nung näher erläutert. Hierin zeigen:

FIG 1 in einer perspektivischen Darstellung eine mehrtei- lige Wellendichtung;

FIG 2 in einer perspektivischen Darstellung eine Vergrößerung eines Dichtsegments der Wellendichtung gemäß FIG 1;

FIG 3 in einem Radialschnitt eine erste Ausführung der

Wellendichtung im Bereich zwischen zwei benachbarten Dichtsegmenten; und

FIG 4 in einem Radialschnitt eine zweite Ausführung der

Wellendichtung im Bereich zwischen zwei benachbarten Dichtsegmenten. Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

Aus FIG 1 und FIG 2 ist eine Welldichtung 2 für eine Welle 3 (auch als Rotor bezeichnet) einer nicht näher gezeigten Turbomaschine zu entnehmen. Die Wellendichtung 2 ist zum Einbau zwischen zwei Fluidräumen, insbesondere zwischen zwei axial zur Welle 3 angeordneten Gasräumen vorgesehen, wobei die Wellendichtung 2 die beiden Gasräume in eine Axialrichtung A voneinander abdichtet. Die Wellendichtung 2 ist mehrteilig ausgeführt und umfasst mehrere Dichtsegmente 4, die im einge^¬ bauten Zustand in eine Umfangsrichtung U um die Welle 3 ange^¬ ordnet und mechanisch miteinander verbunden sind. Die Wellendichtung 2 gemäß FIG 1 ist eine kontaktlose Dich^¬ tung. Die Wellendichtung 2 schafft eine Abdichtung eines Wellenspalts 5 zwischen zwei zueinander rotierenden Komponenten, nämlich einer hier nicht gezeigten stationären Maschinenkomponenten, insbesondere einem Stator, und der rotierenden Wel- le 3. Die Wellendichtung 2 enthält mehrere in Umfangsrichtung U beabstandeten Schuhe 22, die sich in einer kontaktfreien Position entlang der Außenfläche der Welle 3 befinden. Insbesondere umfasst jedes Dichtungssegment 4 einen Schuh 22. Je^¬ der Schuh 22 weist eine Dichtungsfläche 24 auf, die der Welle 3 zugewandt ist. Die Schuhe 22 sind über Federelemente 26 ge^¬ lagert. Die Federelemente 26 sind am Stator befestigt oder sind im Stator integriert.

Wenn die Wellendichtung 2 im Einsatz ist, werden aerodynami- sehe Kräfte entwickelt, die einen Fluiddruck auf den Schuh 22 ausüben, so dass er sich in Bezug auf die Welle 3 radial be^¬ wegt. Die Fluidgeschwindigkeit erhöht sich, wenn der abzu^¬ dichtende Wellenspalt S zwischen dem Schuh 22 und der Welle 3 zunimmt, wodurch der Druck in dem Wellenspalt 5 verringert wird und der Schuh 22 radial nach innen zur Welle 3 gezogen wird. Wenn der Wellenspalt 5 immer kleiner wird, nimmt die Geschwindigkeit ab und der Druck innerhalb des Spalts steigt an, wodurch der Schuh 22 von der Welle 3 radial nach außen gedrückt wird. Die Federelemente 26 bewegen sich dabei mit dem jeweiligen Schuh 22, um eine primäre Abdichtung des Wellenspaltes 5zwischen dem Rotor 3 und dem Stator innerhalb vorbestimmter Konstruktionstoleranzen zu erzeugen.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Wellendichtung 2 auch mit einer sekundären Dichtung versehen, die die Form einer Bürstendichtung annehmen kann, oder die Form eines Stapels von mehreren dünnen Blechen aus Metall.

Bei Anwendungen in Gasturbinen ist die Wellendichtung 2 aerodynamischen Kräften infolge des Luftdurchtritts entlang der Oberfläche des Schuhs 22 und der Welle 3 ausgesetzt. Der Be^¬ trieb der Wellendichtung 2 hängt somit zum Teil von der Aus- Wirkung dieser aerodynamischen Kräfte ab, die dazu tendieren, den Schuh 22 radial nach außen relativ zur Oberfläche des Rotors zu neigen, und die Gegenkräfte, die durch die Federele^¬ mente 26 und die sekundären Dichtungen ausgeübt werden, die dazu neigen, den Schuh 22 in Richtung zum Rotor 3 zu drücken.

Wie aus FIG 2 ersichtlich, erfolgt die formschlüssige Verbin^¬ dung der Dichtsegmente 4 über eine Nase 6, die in eine ent^¬ sprechend geformte Aussparung 8 am jeweils benachbarten

Dichtsegment 4 eingeführt ist.

Die Dichtsegmente 4 sind derart miteinander gekoppelt, dass eine Bewegung der einzelnen Dichtsegmente 4, insbesondere ei^¬ ne Bewegung der federnd gelagerten Schuhe 22 der Dichtsegmente 4 in der Radialrichtung R möglich ist. Durch den radialen Versatz der Dichtsegmente 4 im eingebauten Zustand an der

Welle 3 der Turbomaschine entsteht zwischen den benachbarten Dichtsegmenten 4 ein radialer Spalt 10, der mit Hilfe eines länglichen Dichtelements 12 abgedichtet wird. Ein solches Dichtelement 12 ist in FIG 3 dargestellt. Korrespondierend zum Dichtelement 12, d.h. angepasst in Bezug auf seine Posi^¬ tion und Form, ist auf dem benachbarten Dichtsegment 4 eine Aufnahme 14 ausgebildet. Insbesondere sind das Dichtelement 12 und die Aufnahme 14 derart zueinander positioniert, dass das Dichtelement 12 eine Wandung 16 der Aufnahme 14 nicht be^¬ rührt. Das Dichtelement 12 ist einteilig mit dem Dichtsegment 4 ausgebildet. Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß FIG 3 ist das Dichtele^¬ ment 12 als ein im Wesentlichen starrer Dichtarm ausgeführt, der schräg zur Radialrichtung R aus dem Dichtsegment 4 hinausragt. Somit bilden das Dichtelement 12 und die Aufnahme 14 eine Labyrinthdichtung. Am freien Ende des Dichtarms ist eine kreisrunde Verdickung 18 vorgesehen, wodurch der Weg eines radial zwischen den beiden gezeigten Dichtsegmenten 4 leckenden Fluids verengt wird und dadurch der Strömungswiderstand auf diesem Weg erhöht wird. Das Dichtelement 12 ist in der radial inneren Hälfte mög^¬ lichst nahe zur Welle 3 ausgebildet, so dass es den Weg des Fluids in den Spalt 10 möglichst früh versperrt.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Dichtelements 12 ist aus FIG 4 zu entnehmen. Dieses Dichtelement 12 ist federnd gelagert und liegt mit einer abgeflachten Seite 20 auf der Wandung 16 der Aufnahme 14 auf, so dass eine Reibdichtung hergestellt ist. Durch den permanenten Kontakt zwischen dem Dichtelement 12 und der Wandung 16 der Aufnahme 14 wird zudem die Verbindung zwischen den benachbarten Dichtelementen 14 unterstützt und somit die Wellendichtung 2 stabilisiert.

Beide Ausführungen der Dichtelemente 12 in Kombination mit den entsprechenden Aufnahmen 14 verbessern die Dichtwirkung der Wellendichtung 2 in Radialrichtung R und führen somit insgesamt zu einer besseren Leistungsfähigkeit der Wellen^¬ dichtung 2.

Claims

Patentansprüche

1. Wellendichtung (2) zum Abdichten eines Wellenspalts (5) zwischen einer Welle (3) und einer weiteren Maschinenkompo- nente, umfassend mehrere Dichtsegmente (12), die in eine Um- fangsrichtung (U) um die Welle (3) anordenbar sind, wobei die Dichtsegmente (4) jeweils einen federnd gelagerten Schuh (22) aufweisen, der als Reaktion auf einen Fluiddruck sich derart radial bewegt, dass eine berührungslose Abdichtung der Welle (3) entsteht,

dadurch gekennzeichnet, dass je zwei aneinander anliegende Dichtsegmente (4) formschlüssig miteinander verbunden sind und zusätzlich zur formschlüssigen Verbindung ein Dichtsegment (4) ein längliches Dichtelement (12) zur Reduzierung ei- ner Leckage in eine Radialrichtung (R) aufweist, wobei das

Dichtelement (12) sich zumindest teilweise in Umfangsrichtung (U) erstreckt und in eine korrespondierende Aufnahme (14) des anliegenden Dichtsegments (4) hineingreift.

2. Wellendichtung (2) nach Anspruch 1,

wobei das Dichtelement (12) in Radialrichtung (R) betrachtet, in der radial inneren Hälfte des jeweiligen Dichtsegments (4) angeordnet ist.

3. Wellendichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2,

wobei das Dichtelement (12) integraler Bestandteil des jewei^¬ ligen Dichtsegments (4) ist.

4. Wellendichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che,

wobei das Dichtelement (12) und die korrespondierende Aufnah^¬ me (14) als eine Labyrinthdichtung ausgeführt sind.

5. Wellendichtung (2) nach Anspruch 4,

wobei das Dichtelement (12) schräg zur Radialrichtung (R) ausgebildet ist.

6. Wellendichtung (2) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Dichtelement (12) im Bereich eines freien Endes ei^¬ ne Verdickung (18), insbesondere eine kreisrunde Verdickung, aufweist .

7. Wellendichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Dichtelement (12) und die Aufnahme (14) als eine Reibdichtung ausgeführt sind, bei der ein mechanischer Kontakt zwischen dem Dichtelement (12) und einer Wandung (16) der Aufnahme (14) vorliegt.

8. Wellendichtung (2) nach Anspruch 7,

wobei ein freies Ende des Dichtelements (4) eine abgeflachte Fläche (20) zum Auflegen auf der Wandung (16) der Aufnahme (14) aufweist.

9. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine mit einer Wellen^¬ dichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Verfahren zum Herstellen einer Wellendichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Wellendichtung (2) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt wird .