CH697868A2

CH697868A2 - Labyrinth-Kompressionsdichtung und dieselbe enthaltende Turbine.

Info

Publication number: CH697868A2
Application number: CH01398/08A
Authority: CH
Inventors: Charles Alan Bulgrin; Ralph Chris Bruner; Robert Craig Akin
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2009-03-13
Also published as: DE102008044471A1; JP2009062979A; CH697868B1; CN101382077B; US20090058013A1; US8066475B2; JP5227114B2; CN101382077A

Abstract

Ein einzigartig konfigurierter rotierender Dichtungszahn 124 wird in Zusammenwirkung mit verbreitet verwendeten Dichtungen 122 vom Labyrinth-Typ verwendet, die eine Abdichtung zwischen einer rotierenden Komponente 118 und einer fest stehenden Komponente schaffen. Der auf einzigartige Weise konfigurierte rotierende Dichtungszahn erzeugt einen Kompressionsmechanismus 134, 136, um der Leckageströmung 130, 132 durch das Labyrinth aus Dichtungszähnen entgegenzuwirken, wodurch der Druckgradient, der die Leckagen verursacht, verringert und die Richtung von einem Teil der Leckageströmung umgekehrt wird.

Description


  Hintergrund der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen einzigartigen Dichtungsaufbau zur Verbesserung der axialen Abdichtung von Sekundärluftströmen in den Radräumen von Gasturbinen.

[0002] Das Erreichen hoher Leistungsniveaus in einer Gasturbine erfordert eine Minimierung von Leckagen von Sekundärluft innerhalb der Radräume. Dies stellt eine Herausforderung dar, da der Dichtungsmechanismus so ausgelegt werden muss, dass er ein Mittel zur wirksamen Abdichtung zwischen rotierenden Komponenten (Schaufeln/Scheiben/Abstandshalter) und fest stehenden Komponenten (Düsen/Schaufeln/Membrane) schafft. Es ist übliche Praxis, Dichtungen vom Labyrinth-Typ zu verwenden, welche den Bereich, in dem Leckagen auftreten könnten, einschränken und auch eine Reihe von Druckverlustmechanismen erzeugen, die das Fliessen von Leckageluft weiter verringert.

   Unterschiedliche Anordnungen der Zähne einer Labyrinthdichtung wurden bisher verwendet, wobei einige in Umfangsrichtung ausgerichtet und einige in Umfangsrichtung versetzt waren. Auch werden unterschiedliche Anzahlen von Dichtungszähnen verbreitet in Reihe verwendet, um zusätzliche Druckverluste zu schaffen und wenn erforderlich Leckagen zu reduzieren.

[0003] Die Labyrinthdichtungszähne können so konstruiert sein, dass sie in eine gegenüberliegende Wandung eintreten und diese schneiden, welche üblicherweise aus einem Waben- oder anderen verschleissbaren Material besteht, um einen minimalen Spalt und Leckagebereich im Betrieb zu schaffen.

   Die meisten grossen Gasturbinen erfahren jedoch im Zuge von Heissstart-Transienten einen zusätzlichen Verschluss, was darin resultiert, dass die Dichtungszähne während des Startübergangs tiefer in die verschleissbare Wand einschneiden, sich dann aber öffnen und im stabilen Betriebszustand einen erweiterten Spalt freigeben.

[0004] Ein weiteres Verfahren zur Abdichtung zwischen den rotierenden und fest stehenden Komponenten, das zusammen mit Labyrinthdichtungen verwendet wird, ist der Einbau von Bürstendichtungen in Reihe. Bürstendichtungen können Leckagen weiter verringern, sind aber kostspielig und erhöhen auch die Komplexität der Gasturbine.

   Auch ist die Länge, um die die Borsten der Bürstendichtung über das Gehäuse, das sie enthält, erweitert werden können, begrenzt, und wenn der vorübergehende Verschluss zu gross wird, können die Bürstendichtungen nicht verwendet werden, ohne ein hartes Anreiben zwischen dem Gehäuse der Bürstendichtung und den rotierenden Komponenten zu riskieren.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0005] Die Erfindung schafft ein einzigartiges Mittel, um die axiale Abdichtung von Sekundärluftströmen in den Radräumen von Gasturbinen zu verbessern. Wie hier vorgeschlagen, wird sie in Zusammenwirkung mit verbreitet verwendeten Dichtungen vom Labyrinth-Typ verwendet, die eine Abdichtung zwischen einer rotierenden Komponente und einer fest stehenden Komponente schaffen.

   Insbesondere führt die Erfindung einen auf einzigartige Weise konfigurierten rotierenden Dichtungszahn ein, welcher einen Kompressionsmechanismus erzeugt, um einer Leckageströmung durch das Labyrinth aus Dichtungszähnen entgegenzuwirken, wodurch der Druckgradient, der die Leckagen verursacht, verringert und die Richtung von einem Teil der Leckageströmung umgekehrt wird.

[0006] Somit kann die Erfindung in einer Labyrinthdichtung für eine Turbine mit einem fest stehenden Gehäuse ausgeführt werden, durch welches sich ein rotierendes Element hindurch erstreckt, wobei die Turbine Medienströmungsbereiche mit unterschiedlichem Druck einschliesst, wobei die Labyrinthdichtung eine erste Dichtungsanordnung umfasst, die eine erste Vielzahl von benachbarten, sich im Allgemeinen radial entweder 1) von einem Abschnitt des fest stehenden Gehäuses oder 2)

   von einem Abschnitt des rotierenden Elements erstreckenden Dichtungskomponenten umfasst, wobei die erste Vielzahl von Dichtungskomponenten zumindest einen ersten Dichtrippenaufbau und einen zweiten Dichtrippenaufbau einschliesst, wobei der erste Dichtrippenaufbau zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Rippe aufweist, wobei der zweite Dichtrippenaufbau eine Vielzahl von in Umfangsrichtung benachbarten Dichtrippen umfasst, die jede in einem Winkel in Bezug auf die zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Rippe geneigt ist und in einem Abstand zu derselben angeordnet ist, um dazwischen eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Staufuge zu definieren.

[0007] Die Erfindung kann auch in einer Turbine mit einem fest stehenden Gehäuse ausgeführt werden, durch welches sich ein rotierendes Element hindurch erstreckt,

   wobei die Turbine Medienströmungsbereiche mit unterschiedlichem Druck sowie eine Labyrinthdichtung einschliesst, die eine erste Dichtungsanordnung umfasst, die eine erste Vielzahl von benachbarten, sich im Allgemeinen radial entweder 1) von einem Abschnitt des fest stehenden Gehäuses oder 2) von einem Abschnitt des rotierenden Elements erstreckenden Dichtungskomponenten umfasst, wobei die erste Vielzahl von Dichtungskomponenten zumindest einen ersten Dichtrippenaufbau und einen zweiten Dichtrippenaufbau einschliesst, wobei der erste Dichtrippenaufbau zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Rippe aufweist, wobei der zweite Dichtrippenaufbau eine Vielzahl von in Umfangsrichtung benachbarten Dichtrippen umfasst, die jede in einem Winkel in Bezug auf die zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Rippe geneigt ist und in einem Abstand zu derselben angeordnet ist,

   um dazwischen eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Staufuge zu definieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0008] Diese und andere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden durch ein genaues Studium der folgenden detaillierteren Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich und klarer werden, in welchen:
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische, teilweise weggebrochene Ansicht einer Gasturbine im Querschnitt ist, die eine herkömmliche Dichtung vom Labyrinth-Typ zeigt;


  <tb>Fig. 2<sep>eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes einer herkömmlichen Zahnkonfiguration einer Abstandshalterdichtung ist;


  <tb>Fig. 3<sep>eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration eines mit Schaufeln versehenen Zahns einer Abstandshalterdichtung ist, welche die Erfindung ausführt;


  <tb>Fig. 4<sep>eine periphere Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer herkömmlichen Konfiguration eines Zahns einer Abstandshalterdichtung ist; und


  <tb>Fig. 5<sep>eine periphere Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer Konfiguration eines mit Schaufeln versehenen Zahns einer Abstandshalterdichtung ist, welche die Erfindung ausführt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0009] In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein einzigartiger Aufbau geschaffen, um die axiale Abdichtung des Sekundärluftstroms in den Radräumen von Gasturbinen zu verbessern. Wie hier vorgeschlagen wird sie in Zusammenwirkung mit verbreitet verwendeten Dichtungen vom Labyrinth-Typ verwendet, die eine Abdichtung zwischen einer rotierenden Komponente und einer fest stehenden Komponente schaffen.

   Insbesondere führt die Erfindung einen auf einzigartige Weise konfigurierten rotierenden Dichtungszahn ein, welcher einen Kompressionsmechanismus erzeugt, um einer Leckageströmung durch das Labyrinth aus Dichtungszähnen entgegenzuwirken, wodurch der Druckgradient, der die Leckagen verursacht, verringert und die Richtung von einem Teil der Leckageströmung umgekehrt wird.

[0010] In einer beispielhaften Ausführungsform vermeidet die vorliegende Erfindung die Kosten, die Komplexität und die Risiken, die mit Bürstendichtungen einhergehen, indem sie die Gestalt und Anordnung von Labyrinthzähnen umgestaltet, um eine Kompression oder ein Rückwärtspumpen der Leckage-Strömung zu erzeugen. Somit fügt die Erfindung im Gegensatz zu Bürstendichtungen gemäss einem Aspekt der Erfindung keine zusätzlichen Komponenten hinzu.

   Stattdessen werden Merkmale umfassend die Erfindung maschinell in die rotierende Komponente zusammen mit den herkömmlichen Labyrinthdichtungszähnen eingearbeitet. Obwohl eine zusätzliche maschinelle Bearbeitung eingeschlossen ist, stellt dies einen bedeutend geringeren Aufwand dar, als er mit der Herstellung und dem Einbau von Bürstendichtungen einhergehen würde.

   Da Bürstendichtungen darüber hinaus verschliessen und bei der Handhabung leicht beschädigt werden, ist die Erfindung wesentlich widerstandsfähiger und zuverlässiger als herkömmliche Bürstendichtungen, die speziell zur Verstärkung von Labyrinthdichtungen vorgesehen werden.

[0011] In einer beispielhaften Ausführungsform schlägt die Erfindung vor, das maschinelle Bearbeitungsverfahren der rotierenden Komponente abzuwandeln, um eine Reihe von sich wiederholenden umlaufenden Dichtungszähnen zu erzeugen, die einen flachen Neigungswinkel relativ zu dem Umlaufpfad der rotierenden Komponente aufweisen. Die präzise maschinelle Bearbeitung dieser sich wiederholenden geneigten Dichtungszähne bildet im Wesentlichen Schaufeln flacher Höhe, die in ähnlicher Weise wie Kompressorschaufeln oder Impellerschaufeln arbeiten.

   Im Gegensatz zu typischen Schaufel- oder Impellerstufen, die den Fluss maximieren sollen, werden die mit Schaufeln versehenen Zähne in Zusammenwirkung mit einem oder mehreren herkömmlichen Dichtungszähnen verwendet. Dies geschieht deshalb, um kleine, der Richtung der Leckageströmung entgegengesetzte Strömungsvolumen zu erzeugen, um die Strömung zur Erzeugung eines ringförmigen Bereichs lokal erhöhten Drucks aufzustauen, welcher von einem herkömmlichen Dichtungszahn durchdrungen ist, um der Leckageströmung, wie weiter unten noch genauer beschrieben wird, entgegenzuwirken.

[0012] Es versteht sich, dass die hierin beschriebene Ausführungsform der Erfindung mehrere Vorteile gegenüber gegenwärtigen Labyrinthdichtungs-Anordnungen mit oder ohne Bürstendichtungen bietet.

   Zum einen hat sie das Potenzial, Sekundärströmungsleckagen innerhalb der Radräume beträchtlich zu verringern. Labyrinthdichtungen werden verbreitet zwischen allen Stufen in dem Turbinenabschnitt einer Gasturbine verwendet. Daher kann die Erfindung für alle Stufen einer Gasturbine potenzielle Verbesserungen schaffen. Darüber hinaus kann das Konzept der Erfindung auf ortsfeste Industrieturbinen, Schiffs- und Flugzeugtriebwerke sowie auch auf Dampfturbinen angewandt werden.

   Darüber hinaus bietet sie das Potenzial beträchtlicher Kosteneinsparungen und Vereinfachungen der Hardware für Systeme, die derzeit Bürstendichtungen verwenden.

[0013] In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Erfindung als zu einer GE9H-Kombizyklus-Gasturbine zugehörig beschrieben, und ist eingebaut, um die Kosten zu senken und die Abdichtung zwischen der Düse der dritten Stufe und dem 2-3-Abstandshalter in dem Radraum zu verbessern, der von der Düse aus radial innen liegt. Die statische Düsenkomponente trägt ein an ihrem Innenradius angebrachtes Wabenmaterial, und der rotierende 2-3-Abstandshalter trägt die an seinem Aussendurchmesser maschinell eingearbeiteten Dichtungszähne.

   Die Erfindung ist jedoch nicht auf die illustrierte beispielhafte Ausführungsform beschränkt.

[0014] Insbesondere Bezug nehmend auf die schematische Illustration von Fig. 1, wird eine herkömmliche 9H-Konstruktion teilweise dargestellt, die die Stufe-2-Schaufel 12, die Stufe-3-Düse 14 und die Stufe-3-Schaufel 16 zeigt. An der Grenzfläche der Düse der dritten Stufe und des 2-3-Abstandshalters 18 ist ein Wabenmaterial 20 an dem inneren Radius der statischen Düsenkomponente 14 der dritten Stufe befestigt, und in der gezeigten herkömmlichen Struktur weist der rotierende 2-3-Abstandshalter 18 herkömmliche umlaufende Labyrinthdichtungszähne 22 auf, die maschinell in seinen äusseren Durchmesser eingearbeitet sind.

   Die Labyrinthdichtungszähne sind vorgesehen, um den Austritt der Kühlluft der Stufe-3-Schaufel, die durch die Stufe-3-Düse gespeist wird, zu minimieren, wie schematisch durch die Pfeile 26, 28 veranschaulicht wird.

[0015] Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes des 2-3-Abstandshalters 18 und veranschaulicht die ersten und zweiten sich in Umfangsrichtung erstreckenden Dichtungszähne 22, die jeweils an der oberstromigen und unterstromigen Seite des Kühlluft-Strömungskanals maschinell eingearbeitet sind.

   Die Pfeile 30, 32 wurden in Fig. 3 aufgenommen, um die Leckagerichtung zum Radraum hinter der Stufe-2-Schaufel bzw. die Leckagerichtung zum Radraum vor der Stufe-3-Schaufel anzuzeigen.

[0016] Fig. 3 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 2, zeigt aber mit Schaufeln versehene Zähne 124, die gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung maschinell in die Aussenfläche des 2-3-Abstandshalters 118 eingearbeitet sind. Wie darin veranschaulicht, ist eine Reihe von sich wiederholenden teilweise umlaufenden Dichtungszähnen 124 vorgesehen, die in einem Winkel relativ zu dem Umlaufpfad der rotierenden Komponente und somit in einem Winkel zu den herkömmlichen Dichtungszähnen 122 angeordnet sind.

   Wie aus der gezeigten Ausführungsform zu ersehen ist, ersetzen die mit Schaufeln versehenen Dichtungszähne 124 nicht vollständig die herkömmlichen umlaufenden Dichtungszähne 122, sondern werden in Zusammenwirkung mit einem oder mehreren herkömmlichen Dichtungszähnen 122 verwendet. Wie in den Fig. 3, 4 und 5 veranschaulicht, geschieht dies, um kleine Strömungsvolumina 134, 136 zwischen den geneigten Dichtungszähnen 124 zu erzeugen, die in einer der Leckageströmung 130, 132 entgegengesetzten Richtung strömen, wodurch der Druck auf der axial äusseren Seite des zugehörigen umlaufenden Dichtungszahns 122 in Bezug auf den Kühlmitteldurchgang erhöht wird, um die Strömung zur Erzeugung ringförmiger Bereiche lokal erhöhten Drucks PX2fwd und PX2aft in Reihe mit dem jeweiligen herkömmlichen Dichtzahn 122 aufzustauen, um jeweils der Leckageströmung 130, 132 entgegenzuwirken.

   Somit ist der Druck PX2fwd bzw. PX2aft benachbart zu dem herkömmlichen Dichtungszahn 122, wie in Fig. 5 veranschaulicht, grösser als der Druck PX1fwd bzw. PX1aft jeweils zwischen benachbarten Paaren herkömmlicher Dichtungszähne 22, wie in Fig. 4. veranschaulicht. Wie in Fig. 5 veranschaulicht, sind die mit Schaufeln versehenen Dichtungszähne 124 in entgegengesetzte Richtungen jeweils an der oberstromigen und unterstromigen Seite des abzudichtenden Bereichs geneigt, um der Leckageströmung axial oberstromig und unterstromig davon entgegenzuwirken.

[0017] Obwohl die Erfindung in Verbindung mit der zurzeit als die praktischste und bevorzugte geltenden Ausführungsform beschrieben wurde, versteht sich dennoch, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform einzuschränken ist, sondern im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen,

   die in das Wesen und den Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche fallen, abdecken soll.

Claims

1. Labyrinthdichtung für eine Turbine mit einem fest stehenden Gehäuse, durch welches sich ein rotierendes Element 118 hindurch erstreckt, wobei die Turbine Medienströmungsbereiche mit unterschiedlichem Druck einschliesst, wobei die Labyrinthdichtung eine erste Dichtungsanordnung umfasst, die eine erste Vielzahl von benachbarten, sich im Allgemeinen radial entweder 1) von einem Abschnitt des fest stehenden Gehäuses oder 2) von einem Abschnitt des rotierenden Elements erstreckenden Dichtungskomponenten umfasst, wobei die erste Vielzahl von Dichtungskomponenten zumindest einen ersten Dichtrippenaufbau und einen zweiten Dichtrippenaufbau einschliesst, wobei der erste Dichtrippenaufbau zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Rippe 122 aufweist, wobei der zweite Dichtrippenaufbau eine Vielzahl von in Umfangsrichtung benachbarten Dichtrippen 124 umfasst,

die jede in einem Winkel in Bezug auf die zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Rippe 122 geneigt ist und in einem Abstand zu derselben angeordnet ist, um dazwischen eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Staufuge PX2fwd oder PX2aft zu definieren.

2. Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von in Umfangsrichtung benachbarten Dichtrippen des zweiten Dichtrippenaufbaus in einem Winkel geneigt ist, um die Strömung 134, 136 bei der Drehung des rotierenden Teils zu der Staufuge hinzuleiten.

3. Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, umfassend eine Vielzahl von Düsen 14, die an dem Gehäuseteil fixiert sind, und eine Vielzahl von Schaufeln 12, 16, die an dem rotierenden Element gesichert sind, und wobei die erste Dichtungsanordnung an einem Dichtungsring 118 definiert ist, der zwischen benachbarten Schaufeln 12, 16 und radial einwärts von einer zwischen den Schaufeln eingebrachten Düse 14 eingebracht ist, wobei ein Kühldurchgang 26 durch die Düse hindurch in Verbindung mit einem in dem Dichtungsring definierten Kühlmitteldurchgang 28 definiert ist.

4. Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine zweite Dichtungsanordnung, die eine zweite Vielzahl von benachbarten, sich im Allgemeinen radial entweder 1) von einem Abschnitt des fest stehenden Gehäuses oder 2) von einem Abschnitt des rotierenden Elements erstreckenden Dichtungskomponenten umfasst, wobei die zweite Vielzahl von Dichtungskomponenten zumindest einen ersten Dichtrippenaufbau und einen zweiten Dichtrippenaufbau einschliesst, wobei der erste Dichtrippenaufbau zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Rippe 122 aufweist, wobei der zweite Dichtrippenaufbau eine Vielzahl von in Umfangsrichtung benachbarten Dichtrippen 124 umfasst, die jede in einem Winkel in Bezug auf die zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Rippe geneigt ist und in einem Abstand zu derselben angeordnet ist,

um dazwischen eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Staufuge zu definieren.

5. Labyrinthdichtung nach Anspruch 4, wobei ein Kühlmediendurchgang 26, 28 zwischen der ersten und zweiten Dichtungsanordnung definiert ist, wobei zumindest eine umlaufende Dichtrippe 122 jeder Dichtungsanordnung zwischen dem zweiten Dichtrippenaufbau 124 derselben und dem Kühldurchgang 26, 28 eingebracht ist.

6. Labyrinthdichtung nach Anspruch 5, wobei die Vielzahl von in Umfangsrichtung benachbarten Dichtrippen von jedem zweiten Dichtrippenaufbau in einem Winkel geneigt ist, um die Strömung 134, 136 bei der Drehung des rotierenden Teils zu der jeweiligen Staufuge hinzuleiten.

7. Labyrinthdichtung nach Anspruch 4, umfassend eine Vielzahl von Düsen 14, die an dem Gehäuseteil fixiert sind, und eine Vielzahl von Schaufeln 12, 16, die an dem rotierenden Element gesichert sind, und wobei die erste Dichtungsanordnung an einem Dichtungsring 118 definiert ist. der zwischen benachbarten Schaufeln und radial einwärts von einer zwischen den Schaufeln eingebrachten Düse 14 eingebracht ist, und wobei ein Kühldurchgang 26 durch die Düse hindurch in Verbindung mit einem in dem Dichtungsring definierten Kühldurchgang 28 definiert ist.

8. Labyrinthdichtung nach Anspruch 7, wobei der Kühlmitteldurchgang in dem Dichtungsring zwischen der ersten und zweiten Dichtungsanordnung definiert ist, wobei die zumindest eine umlaufende Dichtrippe 122 einer jeden Dichtungsanordnung zwischen dem zweiten Dichtrippenaufbau 124 derselben und dem Kühlmitteldurchgang 26, 28 eingebracht ist.

9. Labyrinthdichtung nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von in Umfangsrichtung benachbarten Dichtrippen 124 von jedem zweiten Dichtrippenaufbau in einem Winkel geneigt ist, um die Strömung 134, 136 bei der Drehung des rotierenden Teils zu der Staufuge hinzuleiten.

10. Turbine mit einem fest stehenden Gehäuse, durch welches sich ein rotierendes Element hindurch erstreckt, wobei die Turbine Medienströmungsbereiche mit unterschiedlichem Druck sowie eine Labyrinthdichtung nach Anspruch 1 einschliesst.