Rotor mit Dichtelement für eine stationäre Gasturbine

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Rotor (14) für eine stationäre Gasturbine (10), umfassend zumindest zwei axial aneinander liegende Rotorkomponenten (40,42) mit jeweils einem auf die gegenüberliegende Rotorkomponente gerichteten Dichtungsarmabschnitt (46,48), wobei an den einander axial oder radial gegenüberliegenden Dichtungsarmabschnitten (46,48) jeweils ein Dichtungspartner (64,70,51) eines gemeinschaftlichen Dichtelements (66) vorgesehen ist. Um einen besonders langlebigen Rotor (14) anzugeben, der eine besonders gute Abdichtung des Rotorinnenraums (50) gegenüber einem außerhalb des Rotors (14) liegenden Raums (58) ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass einer der beiden Dichtungspartner wabenförmig ausgestaltet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine stationäre Gasturbine, umfassend zumindest zwei axial aneinander liegende Rotorkomponenten mit jeweils einen auf die gegenüberliegende Rotorkomponente gerichteten Dichtungsarmabschnitt, wobei an den einander gegenüberliegenden Dichtungsarmabschnitten jeweils ein Dichtungspartner eines gemeinschaftlichen Dichtelements vorgesehen ist.

[0002] Eine derartige Anordnung eines Rotors umfassend zwei aneinander liegende Rotorscheiben ist beispielsweise aus der JP 09-242505 A bekannt. Darin sind unterschiedliche Konstruktionen von Dichtungen zur Abdichtung eines Rotorinnenraums gegenüber einem Außenraum gezeigt. Die gezeigten Dichtungen verschließen einen die beiden Räume ansonsten verbindenden Spalt, welcher im Wesentlichen zwischen zwei einander gegenüberliegenden Dichtungsarmabschnitten angeordnet ist.

[0003] Es hat sich herausgestellt, dass weiterhin Bedarf an einer zuverlässigen Dichtung zur Trennung der Räume besteht. Der Bedarf begründet sich einerseits aufgrund gesteigerter Anforderungen an die Lebensdauer des Dichtelements und andererseits an eine erhöhte Dichtungsanforderung, da aufgrund steigender Druckverhältnisse von Verdichtern stationärer Gasturbinen im Innern des Rotors höhere Drücke an Kühlluft zur Kühlung von Turbinenschaufeln bereitstehen. Somit tritt ein größeres Druckgefälle gegenüber dem Außenraum auf, der durch die Dichtungsarmabschnitte von dem inneren Rotorraum zu trennen ist.

[0004] Eine zu der JP 09-242505 A alternative Anordnung ist aus der EP 0 894 947 B1 bekannt. Anstelle einer gemeinschaftlichen, zwischen den beiden Dichtungsarmabschnitten angeordneten Dichtung ist darin die Verwendung zweier unabhängig voneinander arbeitender Labyrinthdichtungen an jedem der beiden Dichtungsarmabschnitte vorgesehen. Der äußere Teil der Labyrinthdichtung ist feststehend und wird von der nach innen gewandten wabenförmigen Fläche eines sogenannten U-Rings gebildet. Der innere, rotierende Teil der Labyrinthdichtung ist an der jeweiligen mantelseitigen Fläche der Dichtungsarmabschnitte als endlos umlaufende Dichtspitze ausgebildet. Im Betrieb schneiden sich die Dichtspitzen in die wabenförmige, nach innen weisende Fläche des U-Rings ein und verhindern somit eine Leckageströmung durch die entsprechenden Ringspalte zwischen dem U-Ring und den Dichtungsarmabschnitten. Diese Anordnung ist jedoch sehr verschleißanfällig, da im Betrieb die Dichtspitze dauerhaft sich gegenüber dem U-Ring dreht.

[0005] Eine ähnliche Anordnung ist zudem aus der US 2010/0196139 A1 bekannt.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Rotors für eine stationäre Gasturbine, welche eine Dichtungsanordnung zwischen zwei einander gegenüberliegenden Rotorkomponenten aufweist, die eine verlängerte Lebensdauer unter weiterer Erhöhung der Dichtungswirkung aufweist.

[0007] Die Aufgabe wird mit einem Rotor gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0008] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass einer der beiden Dichtungspartner wabenförmig ausgestaltet ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass aufgrund der wabenförmigen Ausgestaltung eines Dichtungspartners der jeweils andere Dichtungspartner während der Montage des erfindungsgemäßen Rotors in die Wabenform gepresst werden kann. Durch die Anpressung wird der wabenförmige Dichtungspartner plastisch verformt und passt sich daher der Form des anderen Dichtungspartners exakt an. Dies führt zu einer nahezu spaltfreien Abdichtung mit besonders hoher Druckwirkung. Die Wabenform ermöglicht dabei eine Verformung auch schon bei bereits kleinen Anpressdrücken. Eine fortgesetzte einschneidende Relativbewegung wie bei der EP 0 894 974 B1, ist nicht erforderlich, da die beiden einander gegenüberliegenden Dichtungsarmabschnitte der beiden Rotorkomponenten zueinander keine signifikante Relativbewegung aufweisen, abgesehen von denjenigen Bewegungen, die aufgrund der Fliehkraft oder aufgrund von thermischen Dehnungen am jeweiligen Dichtungsarmabschnitt auftreten. Dadurch ist es möglich, eine besonders gut abdichtende Verbindung der beiden Dichtungspartner zu erreichen, die einerseits besonders langlebig (aufgrund fehlender einschneidender Drehbewegungen) ist und andererseits verschleißarm, was auch zu einer besonders guten Dichtwirkung über die gesamte Lebensdauer des Rotors führt.

[0009] Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung liegen die beiden Dichtungspartner axial einander gegenüber und sind nach dem Nut-Feder-Prinzip ineinander gesteckt. Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere für einen gestapelten Rotor, bei dem die Rotorkomponenten als Rotorscheiben ausgebildet sind. Diese liegen in der Regel auf einem geringeren Radius als die Dichtungsarmabschnitte formschlüssig flächig aneinander, um die Drehmomente zu übertragen. Die einander gegenüberliegenden Dichtungsarmabschnitte berühren sich dabei nicht bzw. nur geringfügig, so dass darüber keine Tangentialkraft übertragen wird. Auch dies ermöglicht eine besonders gute Abdichtung, da der wabenförmige Dichtungspartner nicht unzulässig hoch druckbelastet ist.

[0010] Gemäß einer alternativen Ausgestaltung liegen die beiden Dichtungspartner radial einander gegenüber, wobei der radial äußere Dichtungspartner nach innen wabenförmig gestaltet und der radial innere Dichtungspartner als nach außen gerichtete Dichtpitze ausgebildet ist.

[0011] Vorzugsweise sind die Dichtungsarmabschnitte in Tangentialrichtung endlos umlaufend, so dass der wabenförmige Dichtungspartner zusammen mit der Dichtspitze eine Art statische Labyrinthdichtung bildet, wobei unter Fliehkraft der radial innere Dichtungspartner mehr nach außen strebt als der radial äußere Dichtungspartner. Dadurch drücken sich die Dichtspitzen in die Wabenform ein, ohne dass eine in Umfangsrichtung gerichtete einschneidende Relativbewegung auftritt. Auch hier liegt der große Vorteil darin, dass keine in Umfangsrichtung vorhandene Schneidbewegung der Dichtspitzen gegenüber des wabenförmigen Dichtungspartners vorhanden ist, was die Dichtwirkung für einen besonders langen Zeitraum aufrecht erhält.

[0012] Beide vorgenannten Ausgestaltungen erlauben somit einerseits eine besonders große axiale und radiale Beweglichkeit der Dichtungsarmabschnitte, ohne dass aufgrund eines fortgesetzten Betriebs übermäßige Verschleißerscheinungen an einem der beiden Dichtungspartner oder gar an beiden Dichtungspartnern auftreten. Ein weiterer Vorteil ist, dass kein zusätzliches Dichtungselement zur Abdichtung des Rotorinnenraums gegenüber dem Außenraum erforderlich ist.

[0013] Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung, bei der eine zur Stromerzeugung eingesetzte stationäre Gasturbine mit einem vorgenannten Rotor ausgestattet ist.

[0014] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie weitere Merkmale und Vorteile sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

eine zur Stromerzeugung vorgesehene, stationäre Gasturbine in einem Längsteilschnitt,

Figur 2

einen Ausschnitt aus Figur 1 mit zwei einander gegenüberliegenden Rotorscheiben und einem jeweils daran seitlich angeordneten Dichtungsarmabschnitt,

Figur 3

zwei einander gegenüberliegende Dichtungsarmab-schnitte gemäß einer ersten Ausgestaltung und

Figur 4

zwei einander gegenüberliegende Dichtungsarmab-schnitte gemäß einer zweiten Ausgestaltung.

[0015] Figur 1 zeigt eine stationäre Gasturbine 10 in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 10 weist im Innern einen um eine Rotationsachse 12 drehgelagerten Rotor 14 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 14 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 16, ein Axialturboverdichter 18, eine torusartige Ringbrennkammer 20 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 22, eine Turbineneinheit 24 und ein Abgasgehäuse 26.

[0016] Der Axialturboverdichter 18 umfasst einen ringförmig ausgebildeten Verdichterkanal 25 mit darin kaskadisch aufeinanderfolgenden Verdichterstufen aus Laufschaufel- und Leitschaufelkränzen. Die am Rotor 14 angeordneten Laufschaufeln 27 liegen mit ihren frei endenden Schaufelblattspitzen 29 einer äußeren Kanalwand des Verdichterkanals 25 gegenüber. Der Verdichterkanal 25 mündet über einen Verdichterausgangsdiffusor 36 in einem Plenum 38. Darin ist die Ringbrennkammer 20 mit ihrem Verbrennungsraum 28 vorgesehen, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 30 der Turbineneinheit 24 kommuniziert. In der Turbineneinheit 24 sind vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 32 angeordnet. Am Rotor 14 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (jeweils nicht dargestellt) angekoppelt.

[0017] Im Betrieb der Gasturbine 10 saugt der Axialturboverdichter 18 durch das Ansauggehäuse 16 als zu verdichtendes Medium Umgebungsluft 34 an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird durch den Verdichterausgangsdiffusor 36 in das Plenum 38 geführt, von wo aus es in die Brenner 22 einströmt. Über die Brenner 22 gelangt auch Brennstoff in den Verbrennungsraum 28. Dort wird der Brennstoff unter Zugabe der verdichteten Luft zu einem Heißgas M verbrannt. Das Heißgas M strömt anschließend in den Heißgaskanal 30, wo es sich arbeitsleistend an den Turbinenschaufeln der Turbineneinheit 24 entspannt. Die währenddessen freigesetzte Energie wird vom Rotor 14 aufgenommen und einerseits zum Antrieb des Axialturboverdichters 18 und andererseits zum Antrieb einer Arbeitsmaschine oder elektrischen Generators genutzt.

[0018] Figur 2 zeigt einen axialen Abschnitt aus dem Längsschnitt der Gasturbine 10 im Bereich der Turbineneinheit 24. Zwei axial aneinander liegende Rotorscheiben 40, 42 bilden jeweils eine Rotorkomponente. Die Rotorscheiben 40, 42 sind aufgrund einer nicht weiter dargestellten Verschraubung in einem Kontaktbereich 44 formschlüssig, flächig und mit großer Kraft aneinander gepresst, um eine schlupffreie Übertragung von Drehmomenten zu gewährleisten. Die Rotorscheiben 40, 42 sind im Wesentlichen zur Rotationsachse 12 symmetrisch ausgestaltet, abgesehen vom Bereich der Laufschaufelaufnahmen.

[0019] Radial weiter außen zur Kontaktfläche 44 weist jede Rotorscheibe 40, 42 einen seitlich angeordneten, ringförmigen Dichtungsarmabschnitt 46, 48 auf, der jeweils auf die gegenüberliegende andere Rotorscheibe 40, 42 gerichtet ist. Die Dichtungsarmabschnitte 46, 48 sind als in Tangentialrichtung endlos umlaufende Kragen ausgebildet. Radial innerhalb der beiden Dichtungsarmabschnitte 46, 48 ist ein Rotorinnenraum 50 vorgesehen, in dem während des Betriebs der Gasturbine 10 Kühlluft mit hohem Druck vorhanden ist. Diese wird durch nicht weiter dargestellte Bohrungen, welche in den Rotorscheiben 40, 42 angesiedelt sind, zu den Füßen von in Kränzen angeordneten Laufschaufeln 27 geführt. Anschließend wird die Kühlluft durch das Schaufelinnere zu einem Schaufelblatt geleitet. Dort kühlt es das dem Heißgas ausgesetzte Schaufelblatt. Axial zwischen den Laufschaufeln 27 sind ebenfalls in einem Kranz angeordnete Leitschaufeln 54 vorgesehen, die über einen U-Ring 56 radial innen miteinander gekoppelt sind. Der U-Ring 56 ist in einem sogenannten Scheibenzwischenraum 58 angeordnet, welcher außerhalb des Rotors 14 der Gasturbine 10 liegt. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist in Figur 2 nicht dargestellt.

[0020] Figur 3 zeigt lediglich schematisch die beiden einander gegenüberliegenden, auf die jeweils andere Rotorkomponente 40, 42 gerichteten Dichtungsarmabschnitte 46, 48. Die zur Rotorscheibe 42 weisende Seitenfläche 60 des Dichtungsarmabschnittes 46 ist mit einer umlaufenden Nut 62 versehen, in der ein wabenförmiger Einsatz 64 angeordnet ist. Der wabenförmige Einsatz 64 ist ein erster Dichtungspartner eines zweiteiligen Dichtelements 66, welches den Spalt zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Dichtungsarmabschnitten 46, 48 gegen Durchströmung sichert.

[0021] An der seitlichen, dem Dichtungsarmabschnitt 46 zugewandten Seitenfläche 68 des Dichtungsarmabschnittes 48 ist eine im Querschnitt dreieckförmige (konusförmige) Feder 70 als der zweite Dichtungspartner des Dichtelements 66 ausgestaltet. Die Feder 70 drückt sich bei der Montage der beiden Rotorscheiben 40, 42 in den wabenförmigen Einsatz 64 hinein. Da nach der Montage die beiden Rotorscheiben 40, 42 und insbesondere deren Dichtungsarmabschnitte 46, 48 keine besonders großen Relativbewegungen zueinander durchführen, sitzt die Feder 70 nahezu unbeweglich im wabenförmigen Einsatz 64. Relativbewegungen zueinander treten lediglich im Betrieb aufgrund thermischer Dehnungen oder aufgrund von Fliehkraftbelastungen auf, was durch die dargestellten Pfeile symbolisiert ist.

[0022] Eine dazu alternative Ausgestaltung zeigt Figur 4, bei der ebenfalls die beiden einander gegenüberliegenden Dichtungsarmabschnitte 46, 48 der benachbarten Rotorscheiben 40, 42 im Querschnitt dargestellt sind. Die in Figur 4 rechts dargestellte Rotorscheibe weist einen Dichtungsarmabschnitt 48 auf, welcher den Dichtungsarmabschnitt 46 der benachbarten Rotorscheibe 40 - axial gesehen - überlappt. Der Überlappungsabschnitt 49 weist an seiner Außenseite mehrere in Umfangsrichtung umlaufende endlose Dichtspitzen 51 auf, die einen der beiden Dichtungspartner des Dichtelements 66 bilden. An der nach innen gewandten Seite des Dichtungsarmabschnitts 46 ist in einer nach innen geöffneten Nut sitzend ein wabenförmiger Einsatz 64 als der andere der beiden Dichtungspartner vorgesehen, in den sich die Dichtspitzen 51 aufgrund auftretender Fliehkräfte zur Abdichtung des Spalts hineindrücken können. Eine Relativbewegung in Umfangsrichtung - also senkrecht zur Zeichnungsebene - zwischen den Dichtspitzen 51 und dem wabenförmigen Einsatz 64 tritt nicht auf.

[0023] Insgesamt betrifft die Erfindung einen Rotor 14 für eine stationäre Gasturbine 10, umfassend zumindest zwei axial aneinander liegende Rotorkomponenten mit jeweils einem auf die gegenüberliegende Rotorkomponente gerichteten Dichtungsarmabschnitt 46, 48, wobei an den einander gegenüberliegenden Dichtungsarmabschnitten 46, 48 jeweils ein Dichtungspartner eines gemeinschaftlichen Dichtelements 66 vorgesehen ist. Um einen besonders langlebigen Rotor 14 anzugeben, der eine besonders gute Abdichtung des Rotorinnenraums 50 gegenüber einem außerhalb des Rotors 14 liegenden Raums 58 ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass einer der beiden Dichtungspartner wabenförmig ausgestaltet ist.

Ansprüche

1. Rotor (14) für eine stationäre Gasturbine (10), umfassend zumindest zwei axial aneinander liegende Rotorkomponenten mit jeweils einem auf die gegenüberliegende Rotorkomponente gerichteten Dichtungsarmabschnitt (46, 48), wobei an den einander gegenüberliegenden Dichtungsarmabschnitten (46, 48) jeweils ein Dichtungspartner eines gemeinschaftlichen Dichtelements (66) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
einer der beiden Dichtungspartner wabenförmig ausgestaltet ist.

2. Rotor (14) nach Anspruch 1,
bei dem die beiden Dichtungspartner axial einander gegenüberliegend nach dem Nut-Feder-Prinzip ineinander gesteckt sind.

3. Rotor (14) nach Anspruch 1,
bei dem die beiden Dichtungspartner radial einander gegenüberliegen,
der radial äußere Dichtungspartner nach innen wabenförmig ausgestaltet und
der radial innere Dichtungspartner als nach außen gerichtete Dichtspitze (51) ausgebildet ist.

4. Rotor (14) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei dem die Rotorkomponenten als Rotorscheiben (40, 42) ausgebildet sind, an denen die Dichtungsarmabschnitte (46, 48) seitlich angeordnet sind.

5. Gasturbine (10) mit einem Rotor (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

Zeichnung