Adaptive Labyrinthdichtung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einem Gehäuse (2), mit einem im Gehäuse um eine Läuferachse rotierbar gelagertem Läufer (1), welcher eine sich in Umfangsrichtung erstreckende, T-förmige Nut (6) aufweist, und mit mindestens einer Dichtung zwischen Gehäuse (2) und Läufer (1), wobei die Dichtung ein in der Nut (6) des Läufers aufgenommenes Federdichtband (9) umfasst, welches in Richtung der Läuferachse radial elastisch vorgespannt ist und dessen Abstand zur Läuferachse mit steigender Drehzahl zunimmt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Turbine so weiter zu bilden, dass sich das Federdichtband einfacher montieren lässt und die Werkstoffwahl erleichtert wird. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Verwendung eines Federdichtbandes (9), welches eine nach außen gewandte, sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtfläche (15) aufweist und dadurch, dass die Dichtung mindestens einen gehäusefesten Dichtstreifen (3) umfasst, der radial in die Nut (6) des Läufers (1) hineinragt und mit der Dichtfläche (15) des Federdichtbandes (9) einen Dichtspalt etabliert.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einem Gehäuse, mit einem im Gehäuse um eine Läuferachse rotierbar gelagertem Läufer, welcher eine sich in Umfangsrichtung erstreckende, T-förmige Nut aufweist, und mit mindestens einer Dichtung zwischen Gehäuse und Läufer, wobei die Dichtung ein in der Nut des Läufers aufgenommenes Federdichtband umfasst, welches in Richtung der Läuferachse radial elastisch vorgespannt ist und dessen Abstand zur Läuferachse mit steigender Drehzahl zunimmt. Eine derartige Turbine ist bekannt aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 28 16 084 A1.

[0002] Turbomaschinen müssen an Stellen unterschiedlichen Drucks abgedichtet werden, damit die zur Wirkungsgradverlusten führenden Leckagen möglichst gering bleiben. In den meisten Fällen werden dazu berührungslose Labyrinthdichtungen verwendet. Dabei darf mit Rücksicht auf die Wärmedehnung, die Fliehkraftdehnung, dem Aufschwingen des Rotors in den Radiallagen und beim Durchfahren von kritischen Drehzahlen das radiale Dichtspiel der Labyrinthdichtung nicht zu klein werden. Ein zu klein gewählter Dichtspalt führt unweigerlich zum Anstreifen und damit zur Beschädigung der Labyrinthspitzen und schlimmstenfalls zur Verkrümmung des Läufers.

[0003] Aus dem Stand der Technik sind federnde Dichtsegmente bekannt, die bei einem Anstreifen im Läufer ausweichen und so größere Beschädigungen vermeiden können.

[0004] So zeigt Figur 1 eine bekannte Labyrinthdichtung, die eine rotierende Welle 1 gegenüber einem stehenden Gehäuse 2 abdichtet. Wellenfest angeordnet sind eine Mehrzahl von sich radial erstreckenden Dichtstreifen 3, die mit dem Gehäuse 2 jeweils einen Dichtspalt 4 etablieren. Die Breite des Dichtspaltes 4 ist konstant.

[0005] Figur 2 zeigt, wie das Anstreifen der Dichtstreifen 3 an dem Gehäuse 2 mit Hilfe von federnd gelagerten Dichtsegmenten 5 vermieden werden kann. Hierfür sind in dem Gehäuse zwei eine Mehrzahl von T-förmigen Nuten 6 vorgesehen, die sich in Umfangsrichtung um die Welle 1 herum erstrecken. Die Dichtsegmente 5 weisen einen T-förmigen Ankerabschnitt 7 auf, mit denen sie in der Nut 6 gehalten werden. Federn 8 spannen die Dichtsegmente 5 radial in Richtung der Welle vor. Bei einem axialen Versatz der Welle 1 weichen die Dichtsegmente 5 entgegen der Vorspannkraft der Federn 8 aus, so dass es bei einem Dichtspalt 4 von Null zu keiner größeren Beschädigung der Dichtung kommt.

[0006] Die eingangs genannte DE 28 16 084 offenbart eine als Strahltriebwerk ausgeführte Turbine mit einer adaptiven Labyrinthdichtung zwischen Läufer und Gehäuse. Unter einer adaptiven Labyrinthdichtung ist eine berührungslose Dichtung zu verstehen, deren Dichtspalt drehzahlabhängig ist. Hierzu ist der Läufer mit einer T-förmigen Nut versehen, in welchem ein Federdichtband aufgenommen ist. Das Federdichtband ist läuferwärts radial elastisch vorgespannt, so dass es sich bei steigender Drehzahl radial ausdehnt, wodurch sein Abstand zur Läuferachse zunimmt. Das Federdichtband umfasst eine Dichtstreifen, die radial aus der Nut des Läufers heraus und in eine korrespondierende Nut des Gehäuses hineinragt. Die linienförmige Peripherie der Dichtstreifen etabliert mit dem flächigen Nutgrund der Gehäusenut einen Dichtspalt, der mit zunehmender Drehzahl enger wird.

[0007] Nachteilig bei dieser Dichtung ist ihre große axiale Baulänge und die Montage des Federdichtbandes. Da dieses ebenfalls einen T-förmigen Querschnitt aufweist, erreicht das Federdichtband quer zu seiner Längserstreckung ein achtbares Flächenträgheitsmoment. Dies bedeutet, dass das T-förmige Dichtband in der Praxis nur unter erheblichen Anstrengungen in die Nut des Läufers eingeführt werden kann, da sich das Flächenträgheitsmoment einem Verbiegen um die Drehachse herum widersetzt. Auch ist das eingesetzte Federdichtband in Radialrichtung aufgrund seiner T-Form sehr steif, so dass es sich unter Fliehkräften nur unter Verwendung sehr weicher Werkstoffe dehnt. Die Werkstoffwahl des Federdichtbands wird dadurch eingeschränkt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbine mit adaptiver Labyrinthdichtung - also mitdrehzahlvariablem Dichtspalt - so weiter zu bilden, dass die Montage des Federdichtbandes erleichtert und die Werkstofffreiheit erhöht wird.

[0008] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Federdichtbandes, welches eine nach außen gewandte, sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtfläche aufweist und durch die gehäusefeste Anordnung eines Dichtstreifens, der radial in die Nut des Läufers hineinragt und mit der Dichtfläche des Federdichtbandes den drehzahlvariablen Dichtspalt etabliert.

[0009] Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, den Dichtstreifen von dem Federdichtband zu trennen und gehäusefest anzuordnen, so dass der Dichtspalt zwischen dem Dichtstreifen und dem Federdichtband gebildet wird. Da der Dichtstreifen nunmehr unbewegt ist, beeinflusst seine Steifigkeit nicht das Dehnverhalten des Federdichtbandes. Somit kann ein vergleichsweise steifer Dichtstreifen mit einem elastischen Federdichtband aus einem weichen Werkstoff kombiniert werden. Die Montage des weichen Federdichtbandes ist deutlich einfacher.

[0010] Vorzugsweise besteht das Federdichtband aus einem flachen Streifen, der an seinen Rändern eine Mehrzahl von aus der Ebene des Streifens hervorstehenden Federlaschen aufweist. Diese werden dadurch gebildet, dass der Streifen vom Rand her quer und anschließend längs eingeschnitten wird. Auf diese Weise erhält man ein äußerst leicht zu montierendes und vor allen Dingen preiswert herzustellendes Federdichtband. Das Flächenträgheitsmoment in Biegerichtung ist klein.

[0011] Die vorliegende Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Hierfür zeigen:

Fig. 1:

Labyrinthdichtung (Stand der Technik);

Fig. 2:

Labyrinthdichtung mit federnd gehaltenen Dichtsegmenten (Stand der Technik);

Fig. 3:

erfindungsgemäßes Federdichtband, perspektivisch;

Fig. 4:

Dichtstellen der erfindungsgemäßen Turbine im Längsschnitt.

Die den Stand der Technik zeigenden Figuren 1 und 2 wurden bereits oben erläutert.

[0012] Ein erfindungsgemäßes Federdichtband 9 zeigt Figur 3. Dabei handelt es sich um einen flachen, bandförmigen Streifen aus Metall oder einem Elastomeren, der in seinen Randbereichen mit einer Vielzahl von Federlaschen 10 versehen ist. Die Federlaschen werden dadurch gebildet, dass der flache Streifen zunächst vom Rand her quer und anschließend längs eingeschnitten wird. Die durch die beiden Schnitte umschlossene Federlasche 10 wird anschließend aus der Ebene des Streifens heraus gebogen, so dass gegenüberliegend dem quer verlaufenden Einschnitt ein quer verlaufendes, Materialimplementiertes Federgelenk 11 entsteht.

[0013] Figur 4 zeigte eine erfindungsgemäße Turbine mit einem Gehäuse 2 und einem im Gehäuse 2 rotierbar gelagertem Läufer 1. Am Läufer befestigt sind eine Mehrzahl von Laufschaufeln 12; am Gehäuse 2 befestigt sind eine Mehrzahl von feststehenden Leitschaufeln 13; die Laufschaufeln 12 sind zum Gehäuse 2 bzw. die Leitschaufeln 13 zum Läufer hin abzudichten. Die hierzu eingesetzten Labyrinth-Dichtungen umfassen je eine im Läufer angeordnete, T-förmige Nut 6, welche sich in Umfangsrichtung um den Läufer 1 herum erstreckt. Im Falle der Leitschaufelabdichtung verläuft sie in der Läuferwelle selbst, im Falle der Laufschaufelabdichtung in der Laufschaufel 12. In die T-förmigen Nuten 6 eingezogen ist das in Fig. 3 gezeigte Federdichtband 9. Die Federlaschen 10 weisen dabei radial nach außen, so dass sie das Federdichtband 9 radial elastisch in Richtung der Drehachse des Läufers 1 vorspannen. Die Federlaschen 10 stützen sich dabei gegen gehäuseseitige Hinterschneidungen 14 der Nuten ab. Bei stehendem Läufer 1 drücken die Federlaschen 10 das Federdichtband 9 radial in Richtung der Läuferachse.

[0014] Das Federdichtband 9 umfasst montiert eine radial nach außen gewandte, sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtfläche 15, die von außen jeweils durch die Nuten 6 zugänglich ist. Die Dichtfläche 15 erstreckt sich somit zwischen den Hinterschneidungen 14.
Gehäusefest angeordnet ist je Federdichtband 9 ein mit dessen Dichtfläche 15 korrespondierender Dichtstreifen 3, der radial in die Nut 6 des Läufers 1 hineinragt und mit der Dichtfläche 15 einen Dichtspalt etabliert. Die Dichtstreifen 3 entsprechen denen herkömmlicher Labyrinthdichtungen wie aus Figur 1.

[0015] Das hier vorgestellte Federdichtband kann in allen Labyrinthdichtungen wie Ausgleichskolben, den Deckbändern der Laufschaufeln, sowie unter den Leitschaufeln eingesetzt werden. Das Federdichtband 9 wird durch eine nicht dargestellte Einfüllöffnung in die T-förmige Nut 6 geschoben. Die seitlichen Federlaschen 10 links und rechts bewirken, dass das Federdichtband 9 im Stillstand der Turbine am unteren Nutgrund gehalten wird. In diesem Zustand erreicht der radiale Dichtspalt seinen größten Wert. Ein Anstreifen bei Abkühlung im Drehwerksbetrieb wird dadurch verhindert. Während des Hochlaufens der Maschine schwimmt der Läufer 1 im Ölfilm des Radiallagers auf und nach dem Durchfahren der kritischen Drehzahlen mit höheren Schwingungen erreicht der Läufer 1 vor der Betriebsdrehzahl seine stabile zentrische Lage zum Gehäuse 2. Ebenfalls vor dem Erreichen der Nenndrehzahl ist die Fliehkraft auf das Federdichtband 9 so groß, dass die seitlichen Federlaschen 10 weggebogen werden und das Band an den Hinterschneidungen 14 der T-Nut 6 zum Anliegen kommt. Der Dichtspalt hat nun seinen vorher bestimmten Minimalwert erreicht, womit die Dichtung geschlossen ist.

[0016] Insgesamt realisiert die erfindungsgemäße Turbine kleinere Dichtspalte, wodurch der Wirkungsgrad verbessert wird. Die Gefahr des Anstreifens in kritischen Betriebszuständen wie z. B. beim An- und Abfahren oder in kritischen Drehzahlbereichen wird minimiert. Darüber hinaus wird die Montage des Federdichtbandes 9 erleichtert.

Bezugszeichenliste

[0017] 

1

Läufer (Welle)

2

Gehäuse

3

Dichtstreifen

4

Dichtspalt

5

Dichtsegmenten

6

Nut

7

Ankerabschnitt

8

Federn

9

Federdichtband

10

Federlaschen

11

Federgelenk

12

Laufschaufeln

13

Leitschaufeln

14

Hinterscheidungen

15

Dichtfläche

Ansprüche

1. Turbine, insbesondere Dampfturbine, mit einem Gehäuse (2), mit einem im Gehäuse um eine Läuferachse rotierbar gelagertem Läufer (1), welcher eine sich in Umfangsrichtung erstreckende, T-förmige Nut (6) aufweist, und mit mindestens einer Dichtung zwischen Gehäuse (2) und Läufer (1), wobei die Dichtung ein in der Nut (6) des Läufers (1) aufgenommenes Federdichtband (9) umfasst, welches in Richtung der Läuferachse radial elastisch vorgespannt ist und dessen Abstand zur Läuferachse mit steigender Drehzahl zunimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federdichtband (9) eine nach außen gewandte, sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtfläche (15) aufweist, und dass die Dichtung mindestens einen gehäusefesten Dichtstreifen (3) umfasst, der radial in die Nut (6) des Läufers (1) hineinragt und mit der Dichtfläche (15) des Federdichtbandes (9) einen Dichtspalt etabliert.

2. Turbine nach Anspruch 1, ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federdichtband (9) von einem flachen Streifen gebildet wird, der an seinen Rändern eine Mehrzahl von aus Ebene des Streifens hervorstehenden Federlaschen (10) aufweist, die dadurch gebildet sind, dass der Streifen vom Rand her quer und anschließend längs eingeschnitten ist.

3. Federdichtband (9) für eine Turbine nach Anspruch 2.

Zeichnung