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