WO2020064354A1 - Dichtungsanordnung zwischen einer statorkomponente und einer rotorkomponente - Google Patents

Dichtungsanordnung zwischen einer statorkomponente und einer rotorkomponente Download PDF

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WO2020064354A1
WO2020064354A1 PCT/EP2019/074361 EP2019074361W WO2020064354A1 WO 2020064354 A1 WO2020064354 A1 WO 2020064354A1 EP 2019074361 W EP2019074361 W EP 2019074361W WO 2020064354 A1 WO2020064354 A1 WO 2020064354A1
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sealing
space
pressure
tip
arrangement
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PCT/EP2019/074361
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Inventor
Harald KUNTE
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F01D11/025—Seal clearance control; Floating assembly; Adaptation means to differential thermal dilatations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/55—Seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position
    • F05D2260/38—Retaining components in desired mutual position by a spring, i.e. spring loaded or biased towards a certain position

Definitions

  • the invention relates to a sealing arrangement for sealing a gap between a rotatable rotor component and a stationary stator component, comprising a sealing ring which is arranged around the rotor component and a sealing element radially displaceable in the sealing ring, which protrudes into the gap and has a pressure connection, one
  • Gap which is arranged between the sealing element and the rotor component, fluidically connects to a pressure chamber.
  • the stator component and the rotor component should be minimal to avoid flow losses.
  • the minimum gap is limited by several factors. For example, transient axial or radial strains between the rotor component and the stator component during start-up can limit the minimum of the gap.
  • an eccentricity of the rotor component can lead to a minimum gap.
  • the aim of every seal should be to avoid leakage between the seal components (rotor component and stator component). Excessive leakage leads to a pressure reduction in front of the seal, so that in the case of a gas turbine, for example, hot gas can enter the rotor-stator cavity in front of the seal. This would cause damage.
  • purging air is usually added actively or passively as unavoidable leakage air before the seal arrangement in order to prevent hot gas from being drawn in.
  • the supply of purge air leads to a negative impact on the performance and the efficiency of the gas turbine.
  • a sealing arrangement that shows an improved sealing effect would be desirable.
  • an improved one is an improved one
  • a sealing arrangement for sealing a gap between a rotatable rotor component and a stationary stator component comprising a sealing ring which is arranged around the rotor component and a sealing element which is radially displaceable in the sealing ring and which projects into the gap and has a pressure connection which a gap space, which is arranged between the sealing element and the rotor component, fluidically connects with a pressure chamber, the distance between the sealing element and the rotor component being adjustable via the pressure in the pressure chamber.
  • the invention aims to provide a new seal that has a radially displaceable sealing element as an essential feature.
  • This radially displaceable sealing element is arranged in a sealing ring.
  • the sealing element is fixed by a radial guide in the axial direction and in the circumferential direction.
  • a limitation in the guide direction of the displacement can be done by an inner and outer stop. At standstill, the sealing element is pressed against the inner stop by springs.
  • the sealing element is removable det movable in the radial direction.
  • a pressure connection connects the gap space with a pressure space.
  • the sealing arrangement is formed such that the distance between the sealing element and the rotor component is adjustable via the pressure in the pressure chamber. The distance sets itself because with small gaps, the pressure in the cavity between the rotor and stator increases and a gap-enlarging force occurs.
  • the sealing ring has an interior space arranged within the sealing ring, which is fluidically connected to a pressure medium line, the pressure medium line being designed to supply a pressure medium with a pressure into the interior space and the interior space being the pressure space.
  • the pressure that is required for the actuation of the sealing element is supplied from an interior of the sealing ring.
  • the pressure in the interior arises from the connection via a
  • Pressure medium line with an external pressure supply.
  • the pressure connection can take place via a bore on an end face of the sealing element, as a result of which a fluidic connection takes place between a wheel side space and the sealing space.
  • the wheel side space would represent the pressure space.
  • the sealing element has a front sealing tip adapted to the surface of the rotor component and an axially spaced rear sealing tip.
  • a sealing space is formed between the front sealing tip and the rear sealing tip, this sealing space being fluidically connected to the pressure space.
  • the sealing tips form a cavity that can be supplied with a pressure medium so that movement in the radial direction is possible.
  • the seal arrangement can be improved if a plurality of cavities are arranged.
  • a central sealing tip can be arranged between the front sealing tip and the rear sealing tip. In addition to a cavity between the front sealing tip and the rear sealing tip, this creates a further cavity between the middle sealing tip and the rear sealing tip.
  • the tilt stability can be increased as soon as the segment tilts. In this first embodiment, a plurality of chambers are thus formed in the axial direction.
  • a plurality of chambers are formed in the circumferential direction. This is done by viewed in the circumferential direction between the rotor component and the sealing element arranged circumferential sealing tips which are designed such that a plurality of sealing spaces are formed in the circumferential direction between the circumferential sealing tips, each sealing space being connected to the pressure space via a fluidic connection.
  • a combination of the multi-chamber design in the axial direction and in the circumferential direction is possible.
  • the sealing element can be designed such that the movement takes place in the axial direction.
  • the rotor component has a piston with an almost vertical piston front surface. The sealing then takes place between the piston surface and the sealing element by an axial movement of the sealing element. The principle of operation remains the same to the radial movement of the sealing element.
  • Cooling air is added in two wheel side spaces (in front of and behind the seal), which leads to a targeted influence on the cooling of the wheel side spaces and the rotor. Furthermore, thermal and mechanical expansions during operation can be automatically compensated for according to the invention.
  • Figure 1 is a cross-sectional view of an inventive
  • Figure 2 is an enlarged view of a sealing element according to the invention
  • Figure 3 is an enlarged view of part of the device arrangement in an alternative embodiment
  • Figure 4 is an enlarged view of an advantageous
  • Figure 5 is an enlarged view of an advantageous
  • Figure 6 shows an alternative embodiment of the sealing arrangement according to the invention
  • Figure 7 is a schematic representation of the principle of action of the sealing arrangement
  • FIG. 1 shows a sealing arrangement 1.
  • the sealing arrangement is used to seal a gap 2 between a rotatable rotor component 3 and a stationary one
  • the stator component 4 can be a housing, for example.
  • the sealing arrangement 1 can be used for a turbomachine, such as a gas turbine or a steam turbine.
  • the sealing ring 5 and the stator component 4 can represent a common component.
  • the sealing arrangement 1 comprises a sealing ring 5
  • Sealing ring 5 is arranged in a circumferential direction 35 around the rotor component 3.
  • the sealing ring 5 can consist of several ren segments.
  • the sealing arrangement 1 has a sealing element 7 which is designed to be displaceable in a radial direction 6.
  • the Dichtele element 7 is fixed by a radial guide 8 in the axial and circumferential directions 35.
  • the sealing element 7 has a pressure connection 9, which can be designed as a bore.
  • the pressure connection 9 provides a fluidic connec tion between a gap 10, the element between the Dichtele element 7 and the rotor component 3 and a pressure chamber.
  • the pressure chamber 11 is arranged as an interior within the sealing ring 5.
  • the interior is fluidly connected to a pressure medium line 12, the pressure medium line 12 being designed to supply a pressure medium with a pressure into the interior 11.
  • the interior 11 represents the pressure chamber.
  • the distance between the sealing element 7 and the rotor component 3 can be set via the pressure in the pressure chamber.
  • FIG. 2 shows a plan view of the sealing element 7, where the plan view takes place from the axial direction 14.
  • the sealing element 7 can be formed from one segment and has sealing tips 15 on the end for this purpose. Between the sealing tips 15, the sealing gap space 10 is madebil det. The gap space 10 is fluidly connected to a pressure space 11 via the pressure connection 9, as previously shown.
  • the sealing element 7 has a basic element 16 which is designed in the circumferential direction 35 and is curved toward the rotor. The top of the base element 16 can be straight.
  • a guide component 17 is arranged, which is designed to be movable within the sealing ring 5.
  • a stop web 18 is arranged, which limits a movement of the sealing element 7 downwards by the stop web 18 resting on the sealing ring 5, as shown in FIG. 1.
  • the rotor component 3 and the stator component 4 as well as the sealing ring 5 are not shown in FIG. 2 for reasons of clarity.
  • Figure 3 shows an alternative embodiment of the inven tion.
  • the difference between the embodiment according to FIG. 3 and the embodiment according to FIG. 1 is that the pressure connection 9 is arranged in a front region 19 of the sealing element 7 and establishes a fluidic connection between a wheel side space 20 and the sealing space 21.
  • the sealing element 7 has a front sealing tip 22 adapted to the surface 22 of the rotor component 3 and an axially spaced rear sealing tip 23.
  • the front sealing tip 22 and the rear sealing tip 23 can be formed integrally with the sealing element 7.
  • the sealing space 21 is formed between the front sealing tip 22 and the rear sealing tip 23.
  • the sealing chamber 21 is fluidically connected to the pressure chamber 11.
  • the sealing element 7 is double T-shaped forms.
  • the sealing element 7 has an upper front 24 and rear cross piece 25, viewed in the axial direction 14.
  • the upper front 24 and rear cross piece 25 are formed such that a movement in the direction of the rotor component 3 forms an outer stop and thereby a movement of the sealing element 7 in the direction of the rotor components 3 is limited.
  • the sealing element 7 has a viewed in the axial direction Rich 14 lower front 26 and rear cross piece 27.
  • the seal assembly 7 is asbil det such that the lower front 26 and rear crosspiece 27 egg nen in the direction of stator component 4 considered internal impact and thereby a movement in the direction
  • Stator component 4 is limited.
  • sealing element 7 between the upper front 24 and rear cross piece 25 and the lower front cross piece 26 and lower rear cross piece 27 has a center piece 28 formed in ra dialer direction 6.
  • a spring 29 is arranged between the sealing ring 5 and the upper front 24 and rear cross piece 25.
  • FIG. 4 shows a further development of the sealing arrangement 1.
  • a middle sealing tip 30 is arranged between the front sealing tip 22 and the rear sealing tip 23.
  • a front sealing space 31 is formed by the middle sealing tip 30 and is arranged between the front sealing tip 22 and the middle sealing tip 30.
  • Between the middle sealing tip 30 and the rear sealing tip 23 is a
  • Rear seal space 32 is formed.
  • the front seal space 31 is connected to the pressure space in terms of flow technology via a front seal space connection 33.
  • the rear sealing space 32 is connected in terms of flow technology to the pressure space via a rear sealing space connection 34.
  • the measure shown in FIG. 4 allows the tipping stability of the sealing element 7 to be increased.
  • FIG. 5 shows a further advantageous development of the sealing element 7.
  • a plurality of circumferential sealing tips 36 are arranged between the rotor component 3 and the sealing element 7, which are formed such that a plurality of sealing spaces 36 are formed in the circumferential direction 35 between the circumferential sealing tips 36 are, each sealing chamber 36 is connected to the pressure chamber via a fluidic connection 38.
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment of the sealing arrangement 1.
  • the rotor component 3 here has a piston 39, the piston 39 having a piston front surface 40 which is at right angles to the sealing ring 5 and is substantially perpendicular to the axial direction 14, the sealing element 7 essentially is axially movable between the piston front surface 40 and the sealing ring 5.
  • Figure 7 shows the principle of operation of the sealing arrangement 1.
  • the principle of action is based on the setting of an equilibrium position.
  • the two forces Fi and F 3 act radially inward.
  • Fi results from the radially effective compressive force acting on the part of the sealing element 7 located in the sealing ring.
  • Pi corresponds to the internal pressure of the sealing ring 5.
  • F 3 results from the radially effective compressive force on the remaining outer contour of the sealing element 7.
  • P3 corresponds approximately to the outlet pressure of the seal.
  • the radially outwardly acting pressure in the sealing space P 2 is mainly determined by the throttling action of the bores in the sealing element 7 and the gaps between the sealing element 7 and the rotor component 3 (K).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung (1) zur Abdichtung eines Spaltes (2) zwischen einer drehbaren Rotorkomponente (3) und einer ortsfesten Statorkomponente (4), wobei die Dichtungsanordnung (1) ein Dichtelement (7) aufweist, das über eine strömungstechnische Verbindung mit einem Druckraum verbunden ist, wobei der Abstand zwischen dem Dichtelement (7) und der Rotorkomponente (3) über den Druck im Druckraum einstellbar ist.

Description

Beschreibung
Dichtungsanordnung zwischen einer Statorkomponente und einer Rotorkomponente
Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einer drehbaren Rotorkomponente und einer ortsfesten Statorkomponente, umfassend einen Dichtring, der um die Rotorkomponente angeordnet ist und ein im Dicht ring radial verschiebbares Dichtelement, das in den Spalt hineinragt und eine Druckverbindung aufweist, die einen
Spaltraum, der zwischen dem Dichtelement und der Rotorkompo nente angeordnet ist, mit einem Druckraum strömungstechnisch verbindet .
Es sind verschiedene Formen von Dichtungsanordnungen bekannt, die einen Spalt zwischen einer drehbaren Rotorkomponente und einer ortsfesten Statorkomponente minimieren. Unter anderem sind sogenannte Labyrinthdichtungen bekannt, die bei Strö mungsmaschinen wie beispielsweise Gasturbinen oder Dampftur binen eingesetzt werden. Der Spalt zwischen der
Statorkomponente und der Rotorkomponente sollte minimal sein, um Strömungsverluste zu vermeiden. Allerdings ist der minima le Spalt durch mehrere Faktoren begrenzt. Zum Beispiel können transiente axiale oder radiale Dehnungen zwischen der Rotor komponente und der Statorkomponente während des Anfahrens zu einer Begrenzung des Minimums des Spalts führen. Des Weiteren kann unter anderem eine Exzentrizität der Rotorkomponente zu einem Spaltminimum führen. Ziel jeder Dichtung sollte es sein, eine Leckage zwischen den Dichtungskomponenten (Rotor komponente und Statorkomponente) zu vermeiden. Eine zu große Leckage führt zu einer Druckminderung vor der Dichtung, so- dass im Falle einer Gasturbine beispielsweise Heißgas in die Rotor-Stator-Kavität vor der Dichtung eintreten kann. Dies würde zu Schäden zu führen. Daher wird vor der Dichtungsan ordnung in der Regel Spülluft aktiv oder passiv als unver meidbare Leckageluft zugegeben, um einen Heißgaseinzug zu verhindern. Allerdings führt die Zuführung von Spülluft zu einer negativen Beeinflussung auf die Leistung und auf den Wirkungsgrad der Gasturbine.
Wünschenswert wäre eine Dichtungsanordnung, die eine verbes serte Dichtwirkung zeigt. Insbesondere eine verbesserte
Dichtwirkung mit verminderter Zuführung von Spülluft.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einer drehbaren Rotorkompo nente und einer ortsfesten Statorkomponente, umfassend einen Dichtring, der um die Rotorkomponente angeordnet ist und ein im Dichtring radial verschiebbares Dichtelement, das in den Spalt hineinragt und eine Druckverbindung aufweist, die einen Spaltraum, der zwischen dem Dichtelement und der Rotorkompo nente angeordnet ist, mit einem Druckraum strömungstechnisch verbindet, wobei der Abstand zwischen dem Dichtelement und der Rotorkomponente über den Druck im Druckraum einstellbar ist .
Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine neue Dichtung bereitzu stellen, die als wesentliches Merkmal ein radial verschiebba res Dichtelement aufweist. Dieses radial verschiebbare Dicht element ist in einem Dichtring angeordnet. Dabei wird das Dichtelement durch eine radiale Führung in axialer und in Um fangsrichtung fixiert. Eine Begrenzung in der Führungsrich tung des Verschiebeweges kann durch einen inneren und äußeren Anschlag erfolgen. Im Stillstand wird das Dichtelement durch Federn an den inneren Anschlag gedrückt.
Das Dichtelement ist in radialer Richtung beweglich ausgebil det. Eine Druckverbindung verbindet den Spaltraum mit einem Druckraum. Die Dichtungsanordnung ist hierbei derart ausge bildet, dass der Abstand zwischen dem Dichtelement und der Rotorkomponente über den Druck im Druckraum einstellbar ist. Der Abstand stellt sich selbst ein, weil bei kleinen Spalten der Druck in der Kavität zwischen Rotor und Stator steigt und dadurch eine spaltvergrößernde Kraft auftritt. In einer ersten Ausführungsform weist der Dichtring einen in nerhalb des Dichtrings angeordneten Innenraum auf, der mit einer Druckmediumleitung strömungstechnisch verbunden ist, wobei die Druckmediumleitung zum Zuführen eines Druckmediums mit einem Druck in den Innenraum ausgebildet ist und der In nenraum den Druckraum darstellt. Somit wird der Druck, der für die Betätigung des Dichtelements erforderlich ist, aus einem Innenraum des Dichtrings versorgt. Der Druck im Innen raum entsteht durch die Verbindung über eine
Druckmediumleitung mit einer externen Druckversorgung.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Druckverbindung über eine Bohrung an einer stirnseitigen Sei te des Dichtelementes erfolgen, wodurch eine strömungstechni- sche Verbindung zwischen einem Radseitenraum und dem Dicht raum erfolgen. Der Radseitenraum würde den Druckraum darstel len .
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Dichtelement einen an die Oberfläche der Rotorkomponente angepasste Vor derdichtspitze und eine axial beabstandete Hinterdichtspitze auf. Zwischen der Vorderdichtspitze und der Hinterdichtspitze ist ein Dichtraum ausgebildet, wobei dieser Dichtraum mit dem Druckraum strömungstechnisch verbunden ist. Durch die Dicht spitzen wird eine Kavität gebildet, die mit einem Druckmedium versorgt werden kann, so dass eine Bewegung in radialer Rich tung möglich ist. Um ein Überströmen des Dichtelementes zu vermeiden, erfolgt eine Abdichtung zwischen dem Dichtelement und dem Dichtring mittels einer Dichtung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Dichtungsanord nung dahingehend verbessert werden, wenn mehrere Kavitäten angeordnet werden. In einer ersten vorteilhaften Weiterbil dung kann beispielsweise zwischen der Vorderdichtspitze und der Hinterdichtspitze eine Mitteldichtspitze angeordnet wer den. Dadurch entsteht neben einer Kavität zwischen der Vor derdichtspitze und der Hinterdichtspitze eine weitere Kavität zwischen der Mitteldichtspitze und der Hinterdichtspitze . Da- durch kann unter anderem die Kippstabilität erhöht werden, sobald eine Neigung des Segments auftritt. In dieser ersten Ausführungsform werden somit in Axialrichtung mehrere Kammern ausgebildet .
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden mehrere Kammern in Umfangsrichtung ausgebildet. Dies erfolgt, indem in Umfangsrichtung betrachtet zwischen der Rotorkomponente und dem Dichtelement Umfangsdichtspitzen angeordnet sind, die derart ausgebildet sind, dass in Umfangsrichtung mehrere Dichträume zwischen den Umfangsdichtspitzen ausgebildet sind, wobei jeder Dichtraum über eine strömungstechnische Verbin dung mit dem Druckraum verbunden ist.
Eine Kombination der Mehrkammerausführung in axialer Richtung und in Umfangsrichtung ist möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann das Dicht element derart ausgebildet werden, dass die Bewegung in axia ler Richtung erfolgt. Dazu weist die Rotorkomponente einen Kolben auf mit einer nahezu senkrecht stehenden Kolbenvorder fläche. Die Abdichtung erfolgt dann zwischen der Kolbenvor derfläche und dem Dichtelement durch eine axiale Bewegung des Dichtelementes. Das Funktionsprinzip bleibt gleich zu der ra dialen Bewegung des Dichtelementes.
Mit der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung sind deutlich geringere Radialspalte möglich, da sich der Radialspalt auto matisch einstellt. Des Weiteren kann, z. B. in einer Gastur binenanwendung, eine gezielte und dosierte Zugabe von
Kühlluft in zwei Radseitenräume (vor und hinter der Dichtung) zugegeben werden, was zu einer gezielten Einflussnahme auf die Kühlung der Radseitenräume und des Rotors führt. Des Wei teren können erfindungsgemäß thermische und mechanische Deh nungen im Betrieb automatisch ausgeglichen werden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert werden.
Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind da bei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispie le nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzun gen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
Es zeigen:
Figur 1 eine Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen
Dichtungsanordnung
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines erfindungsgemä ßen Dichtungselementes
Figur 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Dich tungsanordnung in einer alternativen Ausführungs form
Figur 4 eine vergrößerte Darstellung einer vorteilhaften
Weiterbildung des Dichtelementes
Figur 5 eine vergrößerte Darstellung einer vorteilhaften
Weiterbildung des Dichtelementes
Figur 6 eine alternative Ausführungsform der erfindungsge mäßen Dichtungsanordnung Figur 7 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips der Dichtungsanordnung
Die Figur 1 zeigt eine Dichtungsanordnung 1. Die Dichtungsan ordnung ist zur Abdichtung eines Spaltes 2 zwischen einer drehbaren Rotorkomponente 3 und einer ortsfesten
Statorkomponente 4 ausgebildet. Die Statorkomponente 4 kann beispielsweise ein Gehäuse sein. Die Dichtungsanordnung 1 ist für eine Strömungsmaschine, wie beispielsweise eine Gasturbi ne oder eine Dampfturbine einsetzbar. Der Dichtring 5 und die Statorkomponente 4 können ein gemeinsames Bauteil darstellen.
Die Dichtungsanordnung 1 umfasst einen Dichtring 5. Der
Dichtring 5 ist in einer Umfangsrichtung 35 um die Rotorkom ponente 3 angeordnet. Der Dichtring 5 kann hierbei aus mehre ren Segmenten bestehen. Zur Abdichtung des Spaltes 2 weist die Dichtungsanordnung 1 ein in einer radialen Richtung 6 verschiebbar ausgebildetes Dichtelement 7 auf. Das Dichtele ment 7 wird durch eine radiale Führung 8 in axialer und in Umfangsrichtung 35 fixiert. Das Dichtelement 7 weist eine Druckverbindung 9 auf, die als Bohrung ausgeführt sein kann. Die Druckverbindung 9 stellt eine strömungstechnische Verbin dung zwischen einem Spaltraum 10, der zwischen dem Dichtele ment 7 und der Rotorkomponente 3 angeordnet ist und einen Druckraum auf. In der in der Figur 1 dargestellten Ausfüh rungsform der Dichtungsanordnung 1 ist der Druckraum 11 als Innenraum innerhalb des Dichtrings 5 angeordnet. Der Innen raum ist mit einer Druckmediumleitung 12 strömungstechnisch verbunden, wobei die Druckmediumleitung 12 zum Zuführen eines Druckmediums mit einem Druck in den Innenraum 11 ausgebildet ist. Der Innenraum 11 stellt in diesem Fall den Druckraum dar. Über den Druck im Druckraum ist der Abstand zwischen dem Dichtelement 7 und der Rotorkomponente 3 einstellbar.
Zur weiteren Erhöhung der Dichtwirkung der Dichtungsanordnung 1 kann zuzüglich eine Labyrinthdichtung 13 neben dem Dicht element 7 angeordnet werden. Es können auch weitere Dichtun gen wie beispielsweise Bürstendichtungen eingesetzt werden. Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf das Dichtelement 7, wo bei die Draufsicht aus der axialen Richtung 14 erfolgt. Gemäß Figur 2 kann das Dichtelement 7 aus einem Segment ausgebildet werden und weist hierzu endseitig Dichtspitzen 15 auf. Zwi schen den Dichtspitzen 15 ist der Dichtspaltraum 10 ausgebil det. Der Spaltraum 10 wird hierbei wie vorhin dargestellt über die Druckverbindung 9 mit einem Druckraum 11 strömungs technisch verbunden. Das Dichtelement 7 weist einen in Um fangsrichtung 35 ausgeführtes zum Rotor hin bogenförmiges Grundelement 16 auf. Die Oberseite des Grundelementes 16 kann gerade ausgeführt sein. An das Grundelement 16 ist ein Füh rungsbauteil 17 angeordnet, das innerhalb des Dichtrings 5 bewegbar ausgeführt ist. Am oberen Ende des Führungsbauteils 17 ist ein Anschlagsteg 18 angeordnet, der eine Bewegung des Dichtelements 7 nach unten dadurch begrenzt, indem der An schlagsteg 18 am Dichtring 5, wie in Figur 1 dargestellt, aufliegt. Die Rotorkomponente 3 und die Statorkomponente 4 sowie der Dichtring 5 sind in der Figur 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Die Figur 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfin dung. Der Unterschied der Ausführungsform gemäß Figur 3 zu der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist der, dass die Druckver bindung 9 in einem vorderen Bereich 19 des Dichtelementes 7 angeordnet ist und eine strömungstechnische Verbindung zwi schen einem Radseitenraum 20 und dem Dichtraum 21 herstellt.
Das Dichtelement 7 weist eine an die Oberfläche 22 der Rotor komponente 3 angepasste Vorderdichtspitze 22 und eine axial dazu beabstandete Hinterdichtspitze 23 auf. Die Vorderdicht spitze 22 und die Hinterdichtspitze 23 können integral mit dem Dichtelement 7 ausgebildet sein. Zwischen der Vorder dichtspitze 22 und der Hinterdichtspitze 23 ist der Dichtraum 21 ausgebildet. Der Dichtraum 21 ist mit dem Druckraum 11 strömungstechnisch verbunden. Gemäß Figur 1 ist das Dichtelement 7 doppel-T-förmig ausge bildet. Dazu weist das Dichtelement 7 ein in axialer Richtung 14 betrachtet oberes vorderes 24 und hinteres Querstück 25 auf. Das obere vordere 24 und hintere Querstück 25 sind dabei derart ausgebildet, dass eine in Richtung Rotorkomponente 3 geführte Bewegung einen äußeren Anschlag bildet und dadurch eine Bewegung des Dichtelementes 7 in Richtung Rotorkomponen te 3 begrenzt ist.
Des Weiteren weist das Dichtelement 7 eine in axialer Rich tung 14 betrachtet unteres vorderes 26 und hinteres Querstück 27 auf. Die Dichtungsanordnung 7 ist dabei derart ausgebil det, dass das untere vordere 26 und hintere Querstück 27 ei nen in Richtung Statorkomponente 4 betrachteten inneren An schlag bildet und dadurch eine Bewegung in Richtung
Statorkomponente 4 begrenzt ist.
Des Weiteren weist das Dichtelement 7 zwischen dem oberen vorderen 24 und hinteren Querstück 25 und dem unteren vorde ren Querstück 26 und unteren hinteren Querstück 27 ein in ra dialer Richtung 6 ausgebildetes Mittelstück 28 auf.
Zwischen dem Dichtring 5 und dem oberen vorderen 24 und hin teren Querstück 25 ist jeweils eine Feder 29 angeordnet.
Die Figur 4 zeigt eine Weiterbildung der Dichtungsanordnung 1. Hierbei ist zwischen der Vorderdichtspitze 22 und der Hinterdichtspitze 23 eine Mitteldichtspitze 30 angeordnet. Durch die Mitteldichtspitze 30 wird ein Vorderdichtraum 31 ausgebildet, der zwischen der Vorderdichtspitze 22 und der Mitteldichtspitze 30 angeordnet ist. Zwischen der Mittel dichtspitze 30 und der Hinterdichtspitze 23 ist ein
Hinterdichtraum 32 ausgebildet. Der Vorderdichtraum 31 ist über eine Vorderdichtraumverbindung 33 strömungstechnisch mit dem Druckraum verbunden. Der Hinterdichtraum 32 ist über eine Hinterdichtraumverbindung 34 mit dem Druckraum strömungstech- nisch verbunden. Durch die in Figur 4 dargestellte Maßnahme kann die Kippsta bilität des Dichtelementes 7 erhöht werden.
Die Figur 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Dichtelementes 7. Hierbei wird in Umfangsrichtung 35 betrach tet zwischen der Rotorkomponente 3 und dem Dichtelement 7 mehrere Umfangsdichtspitzen 36 angeordnet, die derart ausge bildet sind, dass in Umfangsrichtung 35 mehrere Dichträume 36 zwischen den Umfangsdichtspitzen 36 ausgebildet sind, wobei jeder Dichtraum 36 über eine strömungstechnische Verbindung 38 mit dem Druckraum verbunden ist.
Die Figur 6 zeigt eine alternative Ausführungsform der Dich tungsanordnung 1. Die Rotorkomponente 3 weist hierbei einen Kolben 39 auf, wobei der Kolben 39 eine zum Dichtring 5 beabstandete im Wesentlichen zur axialen Richtung 14 senk recht stehende Kolbenvorderfläche 40 aufweist, wobei das Dichtelement 7 im Wesentlichen axial beweglich zwischen der Kolbenvorderfläche 40 und dem Dichtring 5 angeordnet ist.
Die Figur 7 zeigt das Funktionsprinzip der Dichtungsanordnung 1. Das Wirkprinzip beruht auf der Einstellung einer Gleichge wichtslage. Radial einwärts wirken dabei die beiden Kräfte Fi und F3. Fi resultiert aus der radial wirksamen Druckkraft, die auf das im Dichtungsring befindliche Teil des Dichtele mentes 7 wirkt. Pi entspricht dem Innendruck des Dichtrings 5. F3 resultiert aus der radial wirksamen Druckkraft auf die restliche Außenkontur des Dichtelements 7. P3 entspricht in etwa dem Austrittsdruck der Dichtung. Der radial auswärts wirkende Druck in dem Dichtraum P2 wird hauptsächlich durch die Drosselwirkung der Bohrungen im Dichtelement 7 sowie der Spalten zwischen Dichtelement 7 und Rotorkomponente 3 (K) be stimmt. Hinzu kommt eine Federkraft, die geringfügig von der radialen Position des Dichtelements 7 abhängt (nicht darge stellt) .
Während Pi und P3 nahezu unabhängig von dem Radialspalt K sind, sinkt der Druck P2 in dem Dichtraum mit steigendem Ra- dialspalt ab. Dabei sinkt ebenfalls die radial auswärts wir kende Kraft F2 (bei Fi und F3 gleich konstant) . Bei kleinen Radialspalten wirkt eine auswärts gerichtete Radialkraft, die zu einer Spaltvergrößerung führt. Der Gleichgewichtszustand ist bei einem Kräftegleichgewicht erreicht. Dieser Zustand stellt den Auslegungszustand der Dichtung dar. Bei einer wei teren Vergrößerung des Radialspalts wirkt die Kräftebilanz negativ und die resultierende Kraft wirkt radial einwärts, dem Gleichgewichtszustand entgegen. Die Aktivierung der Dich tung erfolgt durch den Überdruck im Dichtring 5. Das bedeu tet, dass im Stillstand das Dichtelement 7 von den Federn 29 an den inneren Anschlag gedrückt werden. K ist dabei maximal. Im Betrieb steigt der Druck im Dichtring 5. Bei ausreichend großem Druck wird Fi + F3 größer F2 + FFecier, in diesem Fall senkt sich das Dichtelement 7 ab, bis sich in dem Dichtraum ein ausreichend großer Druck ausgebildet hat und sich ein Gleichgewichtszustand einstellt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Dichtungsanordnung (1)
zur Abdichtung eines Spaltes (2) zwischen einer drehbaren Rotorkomponente (3) und einer ortsfesten Statorkomponente (4) ,
umfassend
einen Dichtring (5) ,
der um die Rotorkomponente (3) angeordnet ist und
ein im Dichtring (5) radial verschiebbares Dichtelement (7), das in den Spalt (2) hineinragt und eine Druckverbin dung (9) aufweist, die einen Spaltraum (10), der zwischen dem Dichtelement (7) und der Rotorkomponente (3) angeordnet ist, mit einem Druckraum strömungstechnisch verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand zwischen dem Dichtelement (7) und der Rotorkom ponente (3) über den Druck im Druckraum einstellbar ist.
2. Dichtungsanordnung (1) nach Anspruch 1
wobei der Dichtring (5) einen innerhalb des Dichtrings (5) angeordneten Innenraum (11) aufweist, der mit einer
Druckmediumleitung (12) strömungstechnisch verbunden ist, wobei die Druckmediumleitung (12) zum Zuführen eines Druck mediums mit einem Druck pi in den Innenraum (11) ausgebil det ist,
wobei der Innenraum (11) den Druckraum darstellt.
3. Dichtungsanordnung (1) nach Anspruch 1,
mit einem in axialer Richtung (14) vor dem Dichtring (5) angeordneten Radseitenraum (20), wobei der Radseitenraum (20) den Druckraum darstellt.
4. Dichtungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
wobei das Dichtelement (7) eine an die Oberfläche der Ro torkomponente (3) angepasste Vorderdichtspitze (22) und ei ne axial dazu beabstandete Hinterdichtspitze (23) aufweist, wobei zwischen der Vorderdichtspitze (22) und der Hinterdichtspitze (23) ein Dichtraum (21) ausgebildet ist, wobei der Dichtraum (21) mit dem Druckraum strömungstech- nisch verbunden ist.
5. Dichtungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
wobei das Dichtelement (7) doppel-T-förmig ausgebildet ist, wobei das Dichtelement (7)
ein in axialer Richtung (14) betrachtet oberes vorderes (24) und hinteres Querstück (25),
ein in axialer Richtung (14) betrachtet unteres vorderes (26) und hinteres Querstück (27) und
ein in radialer Richtung (6) ausgebildetes Mittelstück (28) aufweist,
wobei auf dem Mittelstück (28) das obere vordere (24) und hintere Querstück (25) angeordnet ist,
wobei unter dem Mittelstück (28) das untere vordere (26) und hintere Querstück (27) angeordnet ist,
wobei die Dichtungsanordnung (1) derart ausgebildet ist, dass das obere vordere (24) und hintere Querstück (25) ei nen in Richtung Rotorkomponente (3) betrachteten äußeren Anschlag bildet und dadurch eine Bewegung des Dichtelemen tes (7) in Richtung Rotorkomponente (3) begrenzt ist, wobei die Dichtungsanordnung (1) derart ausgebildet ist, dass das untere vordere (26) und hintere Querstück (27) ei nen in Richtung Statorkomponente (4) betrachteten inneren Anschlag bildet und dadurch eine Bewegung in Richtung
Statorkomponente (4) begrenzt ist.
6. Dichtungsanordnung (1) nach Anspruch 5,
wobei zwischen dem Dichtring und dem oberen vorderen (24) und hinteren Querstück (25) jeweils eine Feder (29) ange ordnet ist.
7. Dichtungsanordnung (1) nach Anspruch 5 oder 6,
wobei zwischen der Vorderdichtspitze (22) und der
Hinterdichtspitze (23) eine Mitteldichtspitze (30) zur Bil dung eines zwischen der Vorderdichtspitze (22) und der Mit teldichtspitze (30) ausgebildeten Vorderdichtraum (31) und eines zwischen der Hinterdichtspitze (23) und der Mittel dichtspitze (30) ausgebildeten Hinterdichtraum,
wobei der Vorderdichtraum (31) über eine Vorderdichtraum verbindung (33) mit dem Druckraum strömungstechnisch ver bunden ist,
wobei der Hinterdichtraum (32) über eine
Hinterdichtraumverbindung (34) mit dem Druckraum strömungs technisch verbunden ist.
8. Dichtungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei in Umfangsrichtung (35) betrachtet zwischen der Ro torkomponente (3) und dem Dichtelement (7) Umfangsdicht spitzen (36) angeordnet sind, die derart ausgebildet sind, dass in Umfangsrichtung (35) mehrere Dichträume (37) zwi schen den Umfangsdichtspitzen (36) ausgebildet sind, wobei jeder Dichtraum (37) über eine strömungstechnische Verbin dung mit (38) dem Druckraum verbunden ist.
9. Dichtungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
wobei zwischen dem Dichtelement (7) und dem Dichtring (5) eine Dichtung (41) angeordnet ist.
10. Dichtungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
wobei die Rotorkomponente (3) einen Kolben (39) aufweist, wobei der Kolben (39) eine zum Dichtring (5) beabstandete im Wesentlichen zur axialen Achse (14) senkrecht stehenden Kolbenvorderfläche (40) aufweist, wobei das Dichtelement (7) im Wesentlichen axial beweglich zwischen der Kolbenvor derfläche (40) und dem Dichtring (5) angeordnet ist.
11. Dichtungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
wobei das Dichtelement (7) aus Segmenten ausgebildet ist.
12. Dichtungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
wobei das Druckmedium Luft oder Dampf oder Prozessmedium ist .
PCT/EP2019/074361 2018-09-27 2019-09-12 Dichtungsanordnung zwischen einer statorkomponente und einer rotorkomponente WO2020064354A1 (de)

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