DE10140742A1

DE10140742A1 - Vorrichtung zur Dichtspaltreduzierung zwischen einer rotierenden und einer stationären Komponente innerhalb einer axial durchströmten Strömungsrotationsmaschine

Info

Publication number: DE10140742A1
Application number: DE10140742A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Fried
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2000-12-16
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2021-08-21
Also published as: US20020109303A1; GB2370615B; GB0129921D0; US6739593B2; GB2370615A; DE10140742B4

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Dichtspaltreduzierung zwischen einer rotierenden und einer stationären Komponente (1, 2) innerhalb einer axial durchströmten Strömungsrotationsmaschine, in der die rotierende (1) und die stationäre (2) Komponente jeweils einen Flächenabschnitt (3, 4) aufweisen, die durch einen Dichtspalt (5) getrennt angeordnet sind und auf wenigstens einen der beiden Flächenabschnitte (3, 4) Dichtungsstrukturen vorsehen, von denen eine eine abreibbare oder abschleifbare flächig ausgebildete Dichtungsstruktur ist. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der der abreibbaren oder abschleifbaren flächig ausgebildeten Dichtungsstruktur (7, 9) gegenüberliegende Flächenabschnitt (3, 4) ebenfalls eine abreibbare oder abschleifbare flächig ausgebildete Dichtungsstruktur (7, 9) aufweist, und dass beide Dichtungsstrukturen (7, 9) den Dichtspalt (5) flächig begrenzen.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dichtspaltreduzierung zwischen einer rotierenden und einer stationären Komponente innerhalb einer axial durchströmten Strömungsrotationsmaschine, in der die rotierende und die stationäre Komponente jeweils einen Flächenabschnitt aufweisen, die durch einen Dichtspalt getrennt angeordnet sind und auf wenigstens einen der beiden Flächenabschnitten Dichtungsstrukturen vorsehen, von denen eine eine abbreibbare oder abschleifbare flächig ausgebildete Dichtungsstruktur ist.

Stand der Technik

Im Bestreben den Wirkungsgrad von Strömungsrotationsmaschinen, bspw. Verdichtereinheiten aber insbesondere Gasturbinenstufen, zu optimieren, werden jegliche Verlustmechanismen möglichst vollständig beseitigt oder zumindest minimiert. Verlustmechanismen werden u. a. auch durch Dichtspalte zwischen den rotierenden und stationären Anlagenkomponenten bedingt, die es gilt so minimal wie möglich einzustellen, um durch die Dichtspalte hindurchtretende Leckageströme, die nicht zur Energieumwandlung beitragen, zu reduzieren.

Aus der Gasturbinentechnik sind Labyrinthdichtungen bekannt, die aus ineinandergreifende Dichtstreifen bestehen und jeweils an sich gegenüberliegenden Flächenabschnitten der rotierenden und stationären Anlagenkomponenten angebracht sind und die Leckageströme weiter zu minimieren helfen. Auch sind rippen-, stufen- oder honigwabenförmige Dichtstrukturen bekannt, die in gleicher Weise der Dichtspaltreduzierung dienen. Die Fig. 2 mit ihren alternativen Darstellungen a-e zeigt klassische, bekannte Dichtungsstrukturen sowie deren Kombinationen. In allen Darstellungen der Fig. 2a bis e sei angenommen, dass die obere Anlagenkomponente 1 gegenüber der unteren Anlagenkomponente 2 rotiert. Im Fall der Fig. 2a schließen die Flächenabschnitte 3 und 4 einen Dichtspalt 5 ein und weisen überdies auf ihren Oberflächen stegartige, gegenseitig ineinandergreifende Erhebungen 6 auf, die eine an sich bekannte Labyrinthdichtung bilden. In Fig. 2b sind auf dem Flächenabschnitt 3 der rotierenden Komponente 1 drei Rippenzüge 8 aufgebracht, denen gegenüberliegend eine Honigwabenstruktur 7 angeordnet ist, die an der stationären Komponente 2 befestigt ist. Der Dichtspalt 5 wird in diesem Fall durch die Engstellen zwischen den Rippenzügen 8 und der Honigwabenstruktur 7 lokal begrenzt.

Um den Abstand zwischen den Rippenzügen 8 und der Oberfläche 71 der Dichtungsstruktur 7, die auf dem Flächenabschnitt 4 der stationären Komponente 2 aufgebracht ist, so gering wie nur möglich einstellen zu können, ist gemäß Fig. 2c die flächige Dichtungsstruktur 7 als abreibbare bzw. abschleifbare (abradable) Schicht 9 ausgeführt, so dass die zumeist abrasiv wirkenden Rippenzüge 8 im Falle der Berührung die abreibbare Schicht 9 lokal abträgt, wodurch sich ein minimaler Dichtspalt zwischen den Rippenzügen 8 und der Oberfläche 91 der abreibbaren Schicht 9 bildet. Im übrigen sei an dieser Stelle angemerkt dass auch die Honigwabenstruktur abbreibbare Eigenschaften aufweisen kann.

Auch sind gestufte Dichtspaltstrukturen bekannt, wie sie aus den Fig. 2d und e hervorgehen, in denen die rotierende Komponente 1 sowie die stationäre Komponente 2 gestufte Flächenabschnitte mit entsprechenden Dichtungsstrukturen aufweisen. In Fig. 2d sind wieder Rippenzüge 8 gegenüber flächig ausgebildeten Honigwabenstrukturen 7 aufgebracht, wohingegen in Fig. 2e Rippenzüge 8 gegenüber abreibbaren Schichten 9 angeordnet sind.

Ungeachtet der Vielzahl bekannter Ausgestaltungsformen von Dichtungsstrukturen sowie deren bekannte Kombinationen besteht unentwegt der Wunsch nach verbesserten Möglichkeiten der Dichtspaltreduzierung bzw. Reduzierung der sich durch den Dichtspalt ausbildenden Leckageströmung.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Dichtspaltreduzierung zwischen einer rotierenden und einer stationären Komponente innerhalb einer axial durchströmten Strömungsrotationsmaschine, in der die rotierenden und die stationären Komponenten jeweils einen Flächenabschnitt aufweisen, die durch einen Dichtspalt getrennt angeordnet sind und auf wenigstens einem der beiden Flächenabschnitte Dichtungsstrukturen vorsehen, von denen eine eine abreibbare oder abschleifbare flächig ausgebildete Dichtungsstruktur ist, derart auszubilden, dass der Strömungswiderstand durch den Dichtspalt weiter erhöht und die damit verbundene Leckageströmung deutlich reduziert werden soll. Überdies soll die zu treffende Maßnahme weder konstruktive noch finanzielle hohe Aufwendungen erfordern.

Betrachtet man sich an sich bekannte Lösungen zur Reduzierung von Leckageströmungen zwischen stationären und rotierenden Komponenten innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine, so fällt auf, dass stets eine Aneinanderreihung steg- oder rippenartig ausgebildeter Erhebungen zumindest an einer der beiden sich gegenüberliegenden Komponenten zu beobachten ist geprägt, wodurch Verwirbelungen innerhalb der Leckageströme induziert werden, um auf diese Weise den Strömungswiderstand innerhalb des Dichtspaltes zu vergrößern. Die Strömungswirbel bilden sich insbesondere unmittelbar nach Durchtritt der Leckageströmung durch den Engspalt hinter einer Rippe aus und bewirken zugleich eine deutliche Drosselwirkung auf den durch den Dichtspalt hindurchtretenden Leckagestrom.

Im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen bekannten Anordnung von Dichtungsstrukturen liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass größere Drosselverluste in der Leckageströmung durch das konstruktive Vorsehen eines langen schmalen Dichtspalt zwischen beiden zueinander relativbeweglichen Komponenten hervorgerufen werden können, als es mit herkömmlichen Dichtungsstrukturen unter Verwendung vorstehender Rippenzüge der Fall ist.

Versuche haben überraschender Weise gezeigt, dass ein langer schmaler Dichtspalt, der in Strömungsrichtung vorzugsweise ein konstantes minimales Spaltmaß aufweist, erheblich bessere Drosseleigenschaften in Bezug auf die Leckageströmung besitzt, als in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Rippenzüge, die jeweils einen Engspalt in der gleichen Größenordnung einzuschließen vermögen.

Um die Einstellung eines minimal möglichen Dichtspaltes zwischen zwei flächig ausgebildeten Dichtungsstrukturen einstellen zu können, sind die Dichtungsstrukturen abreibbar bzw. abschleifbar (abradable) ausgebildet, so dass sie im Falle ihrer gegenseitigen Berührung durch entsprechenden Abrieb einen Dichtspalt mit minimalen Spaltmass einschließen.

Erfindungsgemäß ist daher eine Vorrichtung zur Dichtspaltreduzierung gemäß des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass der, der abreibbaren oder abschleifbaren flächig ausgebildeten Dichtungsstruktur gegenüberliegende Flächenabschnitt ebenfalls eine abreibbare oder abschleifbare flächig ausgebildete Dichtungsstruktur aufweist und dass beide Dichtungsstrukturen den Dichtspalt flächig begrenzen.

In einer bevorzugten Ausführungsform sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dichtspaltreduzierung zwei unmittelbar gegenüberliegende, flächig ausgebildete Honigwabenstrukturen als Abradables vor, die jeweils an der rotierenden bzw. stationären Komponente der Strömungsrotationsmaschine angebracht sind und gegenseitig einen flächig engen Dichtspalt einschließen. Die sich gegenüberliegenden Honigwabenstrukturen weisen offen ausgebildete Honigwabenkörper auf, die - geht man nach dem derzeitigen Verständnis des Drosseleffektes aus - in vorteilhafter Weise zur verbesserten Drosselwirkung beitragen. Tritt ein Leckagestrom in den minimalen Zwischenspalt der sich gegenüberliegenden Honigwabenstrukturen ein, so bilden sich unmittelbar an der Oberfläche der einzelnen Honigwabenstrukturen Mikrowirbel aus, die in die Öffnungen der einzelnen Honigwabenöffnungen eindringen und dort regelrecht gefangen werden. Eingedenk der Vielzahl der zum Dichtspalt geöffneten Honigwabenkörper, die zudem den Dichtspalt beidseitig begrenzen, vermag der an jeder einzelnen Honigwabenöffnung vorherrschende Mikrowirbeleffekt in seiner Gesamtheit bezogen auf alle den Dichtspalt eingrenzenden Honigwabenkörper die Leckageströmung höchst effektiv zu drosseln bzw. zu reduzieren.

Alternativ zur vorstehend beschriebenen Verwendung von flächig ausgebildeten Honigwabenstrukturen als Dichtungsstrukturen sind ebenfalls abreibbare bzw. abschleifbare Materialschichten geeignet, die den Dichtspalt zwischen einer rotierenden und stationären Komponente innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine mit einem minimalen Dichtspalt begrenzen.

Vergleichbar der vorstehend beschriebenen Situation durch Vorsehen von Honigwabenstrukturen ist es bei sogenannten abreibbaren flächigen Materialschichten von Vorteil, wenn die Materialschichten eine den Dichtspalt einschließende Oberfläche aufweisen, die über eine gewisse Oberflächenrauhigkeit oder an ihrer Oberfläche eine entsprechend eingebrachte Mikrooberflächenstrukturierung aufweist, durch die eine Mikroverwirbelung der durch den Dichtspalt hindurchtretenden Leckageströmung hervorgerufen werden kann.

Derartige auch als Abradables geeignete Materialschichten sind beispielsweise MCrAlY-Materialschichten, die im Wege des Flammspritzens auf die entsprechenden Flächenabschnitte der rotierenden sowie stationären Komponenten aufbringbar sind und je nach den gewählten Material- und Flammspritzparametern eine Porosität aufweisen, die zu der gewünschten Oberflächenrauhigkeit führt.

Durch die erfindungsgemäße Erkenntnis der Eingrenzung des Dichtspaltes mit Hilfe flächig ausgebildeter Abradables, die zu größeren Drosselverlusten führen, als es mit den bisher bekannten rippenartigen Dichtungsstrukturen der Fall ist, sind besonders einfach zu fertigende und kostengünstig herzustellende Dichtungsstrukturen möglich.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a, b schematisierte Darstellung zur Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung,

Fig. 2a bis e Darstellungen bekannter Dichtungsanordnungen,

Fig. 3a, b Darstellung zum Vergleich der Drosselwirkung zwischen einer erfindungsgemäß ausgebildeten Dichtungsanordnung und einer bisher bekannten Dichtungsanordnung,

Fig. 4a bis d Varianten weiterer Ausführungsbeispiele,

Fig. 5a bis d Darstellung von Anwendungsbeispielen an Lauf- und Leitschaufeln einer Strömungsrotationsmaschine sowie Fig. 6 schematisierte Querschnittsdarstellung einer Laufschaufel gegenüber einem stationär angebrachten Hitzeschild innerhalb einer Gasturbinenstufe.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit Fig. 1a und b zeigen eine Gegenüberstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zur Spaltreduzierung (Fig. 1a) im Vergleich zu einer an sich bekannten diesbezüglichen Vorrichtung (Fig. 1b). Gemäß Fig. 1a weisen die rotierende und stationäre Komponente 1, 2 flächig ausgebildete Honigwabenstruktur 7 als Dichtungsstrukturen auf, die gegenseitig einen Dichtspalt 5 miteinander einschließen. Die als Abradable ausgebildeten Honigwabenstrukturen 7 vermögen nach einer gewissen Einlaufzeit den beiden Komponenten 1 und 2 gegeneinander einen minimalen Dichtspalt 5 einzuschließen. Untersuchungen haben nun ergeben, dass die in Fig. 1a dargestellte Anordnung eine deutlich größere Drosselwirkung auf eine durch den Dichtspalt 5 hindurchtretende Leckageströmung ausübt, als es mit den bisherigen Dichtungsanordnungen gemäß der Fig. 1b der Fall ist. Selbst wenn die rippenartig ausgebildeten Strukturen 8 einen Engspalt E einschließen, der die gleichen Abmessungen aufweist wie der Dichtspalt 5 in Fig. 1a, so können dennoch nichtvergleichbare Drosselwirkungen erzielt werden, wie im Fall der Fig. 1a. Gleiches gilt auch für eine Anordnung zweier sich gegenüberliegender abreibbarer Schichten 9 gemäß schematischer Querschnittsdarstellung der Fig. 3a. Der in diesem Fall von zwei abreibbaren Schichten 9 eingeschlossene Dichtspalt 5 ermöglicht trotz minimaler Dichtspalteinstellung einen minimalen Durchtritt der Leckageströmung 10 (siehe Pfeil). Vergleicht man die in Fig. 3a gezeigte Anordnung mit einer an sich bekannten Anordnung unter Verwendung einer doppelstegartigen bzw. rippenartig ausgebildeten Dichtungsstruktur gemäß der Darstellung in Fig. 3b, so wird deutlich, dass der eingezeichnete Leckagestrombereich im Fall der Fig. 3b trotz gleichbemessener Engspalteinstellung einen wesentlich größeren Volumenanteil annimmt, als im Falle der Fig. 3a. Dies verdeutlicht zugleich die mit der Ausbildungsform in Fig. 3a erzielbare erheblich bessere Drosselwirkung.

Zusätzlich zu den erfindungsgemäßen Vorkehrungen bezüglich zweier flächig ausgebildeter Dichtungsstrukturen, die einen langen engen Dichtspalt 5 miteinander einschließen, vermögen die Ausführungsbeispiele gemäß der Fig. 4a bis d die Drosselwirkung zusätzlich zu steigern. Hierbei sind die flächigen Abschnitte der sich gegenüberstehenden rotierenden bzw. stationären Komponente 1, 2 stufig ausgebildet, wobei die einzelnen Stufenabschnitte entweder mit Honigwabenstrukturen 7 oder abreibbaren Schichten 9 versehen sind, die jeweils abschnittsweise einen minimalen Dichtspalt flächig einschließen.

In Fig. 5a ist ein typisches Anwendungsbeispiel schematisch dargestellt, bei dem der obere Flächenabschnitt 3 einer Turbinenlaufschaufel 10 mit einer Honigwabenstruktur 7 vollständig bedeckt ist. Die Honigwabenstruktur 7 der Laufschaufel 10 ist einer größerflächig ausgebildeten Honigwabenstruktur 7' gegenüber angeordnet und schließt mit dieser einen engen Dichtspalt 5 ein. Die Honigwabenstruktur 7' ist an einem stationär angeordneten Hitzeschild 11 innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine, beispielsweise einer Verdichtereinheit oder einer Gasturbinenstufe angebracht.

In Fig. 5b ist eine entsprechende Schaufelanordnung dargestellt, die jedoch über einen schräg verlaufenden Flächenabschnitt mit einer entsprechend parallel dazu angeordneten Hitzeschildanordnung 11 verfügt.

In gleicher Weise stellen die Fig. 5c und d Laufschaufeln 10 mit einem Deckband 12 dar, auf dem eine entsprechende Honigwabenstruktur 5 aufgebracht ist.

Fig. 6 zeigt schließlich einen schematisierten Querschnitt durch ein stationäres Hitzeschild 12, das mit einer Honigwabenstruktur 7 versehen ist. Dem Hitzeschild 12 ist eine Laufschaufel 10 mit einer entsprechend ausgebildeten Honigwabenstruktur 7 gegenüberliegend angeordnet. In beiden Fällen wird die Honigwabenstruktur 7 mittels einer Vielzahl einzelner Kühlluftkanäle 13 mit Kühlluft versorgt. Im Falle der Laufschaufel 10 wird die in den Kühlkanälen 13 zugeführte Kühlluft zusätzlich über eine Prallkühlluftanordnung 14 geleitet, wodurch die Kühlluft unter hoher Geschwindigkeit in Richtung der zu kühlenden Honigwabenstruktur geleitet wird. Durch die Kühlluftzufuhr sowie deren Austritt aus der Honigwabenstruktur in den Dichtspalt hinein, können weitere die Drosselwirkung unterstützende Auswirkungen beobachtet werden.

Bezugszeichenliste

1

Rotierende Komponente

2

Stationäre Komponente

3

,

4

Flächenabschnitte

5

Dichtspalt

6

Labyrinthdichtungen

7

Honigwabenstruktur

8

Rippenartige Dichtungsstrukturen

9

Abreibbare bzw. abschleifbare Materialschicht (Abradable)

91

Oberseite des Abradables

10

Laufschaufel

11

Hitzeschild

12

Deckband

13

Kühlkanäle

14

Prallkühlluftvorrichtung

Claims

1. Vorrichtung zur Dichtspaltreduzierung zwischen einer rotierenden und einer stationären Komponente (1, 2) innerhalb einer axial durchströmten Strömungsrotationsmaschine, in der die rotierende (1) und die stationäre (2) Komponente jeweils einen Flächenabschnitt (3, 4) aufweisen, die durch einen Dichtspalt (5) getrennt angeordnet sind und auf wenigstens einen der beiden Flächenabschnitten (3, 4) Dichtungsstrukturen vorsehen, von denen eine eine abreibbare oder abschleifbare flächig ausgebildete Dichtungsstruktur ist, dadurch gekennzeichnet, dass der der abreibbaren oder abschleifbaren flächig ausgebildeten Dichtungsstruktur (7, 9) gegenüberliegende Flächenabschnitt (3, 4) ebenfalls eine abreibbare oder abschleifbare flächig ausgebildete Dichtungsstruktur (7, 9) aufweist, und dass beide Dichtungsstrukturen (7, 9) den Dichtspalt (5)flächig begrenzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abreibbaren oder abschleifbaren flächig ausgebildeten Dichtungsstruktur als Honigwabenstruktur (7) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Honigwabenstruktur (7) einseitig offen ausgebildete Wabenöffnungen aufweist, die dem Dichtspalt (5) zugewandt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abreibbaren oder abschleifbaren flächig ausgebildeten Dichtungsstrukturen jeweils eine poröse Materialschicht (9) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (9) eine MCrAlY-Schicht ist, wobei M ein Element aus der Gruppe Co, Ni und Fe ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (9) im VVege des Flammspritzen erzeugbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf den einen Flächenabschnitt (3, 4) eine Honigwabenstruktur (7) und auf dem anderen Flächenabschnitt (3, 4) eine poröse Materialschicht (9) jeweils als abreibbare oder abschleifbare flächig ausgebildete Dichtungsstruktur aufgebracht ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtspalt (5) in Axialrichtung eine konstante Dichtspaltweite aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die abreibbaren oder abschleifbaren flächig ausgebildeten Dichtungsstrukturen (7, 9) eine dem Dichtspalt (5) eben ausgebildete Oberfläche aufweisen, die über eine vorgebbare Rauhigkeit verfügt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die als Honigwabenstruktur (7) ausgebildete abreibbare oder abschleifbare flächig ausgebildete Dichtungsstruktur über eine Rauhigkeit verfügt, die durch die Maschenweite der einzelnen Honigwabenöffnungen vorgegeben ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die als poröse Materialschicht (9) ausgebildete abreibbare oder abschleifbare flächig ausgebildete Dichtungsstruktur über eine Oberflächenrauhigkeit verfügt, die durch die Porosität der Materialschicht vorgegeben ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die abreibbaren oder abschleifbaren flächig ausgebildete Dichtungsstrukturen (7, 9) von Seiten der rotierenden oder stationären Komponente von Kühlluft versorgbar sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der rotierenden (1) oder stationären (2) Komponente wenigsten ein Kühlkanal (13) vorgesehen ist, der jeweils am Flächenabschnitt (3, 4) mündet und die abreibbare oder abschleifbare flächig ausgebildete Dichtungsstruktur (7, 9) mit Kühlluft versorgt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Komponente (1) eine Laufschaufel oder eine Rotoranordnung und die stationäre Komponente (2) eine Leitschaufel, ein Hitzeschild oder ein Gehäuseteil der Strömungsrotationsmaschine ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrotationsmaschine eine Verdichtereinheit oder eine Gasturbine ist.