DE60319489T2

DE60319489T2 - Dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE60319489T2
Application number: DE60319489T
Authority: DE
Inventors: Jonathan James Morgan
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2023-10-17
Also published as: EP1420145A2; GB0324000D0; DE60319489D1; EP1420145A3; EP1420145B1; GB2395240B; GB2395240A; US7320468B2; US20040150164A1; GB0226685D0

Description

Die Erfindung ist eine Dichtungsanordnung. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Dichtungsanordnung für eine Turbomaschine.
Die Dichtungsanordnung kann angewendet werden, um eine Abdichtung in irgendeiner geeigneten drehenden Maschine einschließlich, aber nicht beschränkt auf Gasturbinentriebwerke, aufrechtzuerhalten.
Bei einem herkömmlichen Gasturbinentriebwerk wird ein Gebläse benutzt, um Umgebungsluft mit Druck zu beaufschlagen, die darin stromabwärts zu einem Verdichter geleitet wird, um weiter verdichtet zu werden. Die Luft wird dann in einer Brenneinrichtung mit Brennstoff vermischt, gezündet und verbrannt, um das Gas zu expandieren, indem die Gastemperatur erhöht wird. Energie wird aus dem Gas abgezogen, indem es vor dem Ausstoßen durch eine Turbine geleitet wird. Das Triebwerk kann eine Hochdruckturbine aufweisen, welche den Verdichter antreibt, und eine Niederdruckturbine, welche das Gebläse antreibt.
Die drehbaren Abschnitte eines Triebwerks umfassen typischerweise ringförmige Anordnungen großer Gebläserotorschaufeln und kleinerer Verdichter- und Turbinenrotorschaufeln, wobei die Schaufeln normalerweise abwechselnd mit ringförmigen Anordnungen feststehender aerodynamischer Leitschaufeln angeordnet sind (die gewöhnlich als Statorschaufeln bezeichnet werden). Jede Gruppe von Rotorschaufeln und Statorschaufeln wird als eine Stufe bezeichnet. Die Statorschaufeln stellen sicher, dass das Gas unter dem korrekten Winkel auf den Rotor auftrifft. Im Turbinenabschnitt dienen sie bei manchen Triebwerksbauarten auch zur Steigerung der Geschwindigkeit und zum Reduzieren des Drucks des Gases.
Die drehbaren Komponenten verlaufen radial auswärts von Tragscheiben oder -trommeln, die fest mit einer Welle verbunden sind, und um die Wellenachse drehbar sind. Die Welle kann entlang ihrer Länge im Durchmesser variieren und kann radiale Fortsätze haben, um mit einer Komponente wie beispielsweise einer Dichtung zusammenzuwirken.
Vorstehend und nachstehend ist mit einer radialen Richtung eine Richtung senkrecht zur Längsachse des Rotors gemeint, und mit einer axialen Richtung ist eine Richtung parallel zur Längsachse des Rotors gemeint.
Die konzentrische Fluchtung und drehbare Lagerung der Welle und anderer drehbarer Komponenten innerhalb eines umgebenden Gehäuses wird durch Lager aufrechterhalten, die in Verbindung mit der feststehenden Tragkonstruktion des Triebwerks stehen. Die Lager dienen auch als Mittel zum Überleiten von Schwingungs-, aerodynamischen und zentrifugalen Kräften in die Triebwerkstragkonstruktion. Während des normalen Betriebs sind die umlaufenden Komponenten dynamisch ausbalanciert.
Die Verdichter- und Turbinenstatorschaufeln bleiben relativ zu den Rotoren feststehend und sind so normalerweise am Verdichter- bzw. Turbinengehäuse befestigt. Damit das Triebwerk effizient arbeiten kann, muss der Gaskanal durch das Triebwerk abgedichtet sein, um Verluste durch Leckage zu vermeiden. Daher müssen die Statoren gegenüber den Trommeln des Verdichters und der Turbine effektiv abgedichtet werden, so dass das bearbeitete Gas nur entlang des gewünschten Gaskanals wandert.
Es gibt eine Anzahl von Grenzflächen zwischen drehbaren und feststehenden Oberflächen, die eine Abdichtung erfordern. Typischerweise ist eine Abdichtung am Gebläseauslass, an der Zwischenstufe zwischen dem Mitteldruck- und dem Hochdruckverdichter, an der Hochdruckverdichterauslassstelle, an der Hochdruckturbinenvordrallposition, und an den Zwischenstufenstellen zwischen der Nieder- und der Mitteldruckturbine erforderlich. Diese Aufzählung ist nicht abschließend. Eine Abdichtung ist an jeglicher Luft-Abdichtstelle erforderlich, wo eine Verringerung der Leckage einen Leistungsvorteil bringt.
Eine Luftdichtung kann durch Verwenden einer Labyrinthdichtung hergestellt werden. Diese sind nicht als mechanische Sperre ausgebildet, sondern bilden vielmehr einen verbundenen Pfad für die Luft, so dass eine beherrschte, aber minimale Leckage durch die Dichtung stattfindet.
Eine andere Lösung ist die Verwendung segmentierter Dichtungen, die konform um eine umlaufende Welle ausgelegt sind. Jedoch kann die Druckdifferenz über der Dichtungsflä che die Segmente gegen ihr Gehäuse drücken, wodurch ihre Mobilität und folglich ihre Dichtungseffizienz reduziert werden.
Beide oben erwähnten Dichtungen unterliegen der Leckage, wenn große radiale Wellen- oder Trommelbewegungen auftreten, und die Welle und die Dichtung können beschädigt werden, wenn die Auslenkung groß genug ist. In gleicher Weise können Dichtungen, die kolbenringartige Dichtungsanordnungen benutzen, durch Verschleiß oder Missbrauch verklemmen.
Bürstendichtungen werden ebenfalls eingesetzt, und obwohl sie eine Verbesserung der Abdichtung bringen, finden sie keine weitverbreitete Verwendung bei "Schwerlast"-Dichtungsanwendungen in Gasturbinentriebwerken. Ein Problem bei Bürstendichtungen liegt darin, dass die Druckdifferenz über der Borstenpackung die Borsten axial gegen die Stützplatte der Dichtung zusammendrückt. Als Ergebnis verschleißen die Borsten schnell, und schließlich arbeitet die Bürstendichtung schlecht, wobei sie tatsächlich als eine Einfachrippen-Labyrinthdichtung wirkt.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 1 130 294 (General Electric Company) beschreibt eine Bürstendichtung, die in einem Träger montiert ist, der beweglich mittels einer Mehrzahl flexibler Haltedrähte an einem Halter aufgehängt ist. Eine Mehrzahl konzentrischer Nuten sind in der vorderen Stirnfläche des Trägers gebildet, um eine Labyrinthdichtung zwischen dem Träger und dem Halter zu bilden.
Das United States Patent Nr. 2,598,176 (Power Jets) beschreibt ein Dichtungselement, das relativ zu einer Oberfläche eines Rotors, gegen welchen es abdichtet, axial beweglich ist. Das Dichtungselement ist mit einer Tragkonstruktion über einen ringförmigen flexiblen Metallbalg verbunden, der so angeordnet ist, dass er das Dichtungselement vom Rotor weg vorspannt.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 899 40 (Rolls-Royce) beschreibt einen ringförmigen Dichtungsring, der axial relativ zu einer Oberfläche eines Rotors beweglich ist, gegen den es abdichtet. Eine flexible ringförmige Membran verbindet den Dichtungsring mit einer feststehenden Konstruktion und wirkt zum Bewegen des Dichtungsrings axial entlang der Dichtungsfläche des Rotors.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Dichtungsanordnung zum Abdichten eines Leckspaltes zwischen relativ zu einander beweglichen Teilen in einem Strömungsweg zwischen einem Bereich hohen Strömungsmitteldrucks und einem Bereich niedrigen Strömungsmitteldrucks vorgesehen, mit einem Dichtungsteil, das eine stromaufwärtige Oberfläche, eine stromabwärtige Oberfläche, eine radial äußere Oberfläche, und eine radial innere Oberfläche hat, wobei das Dichtungsteil über elastische Mittel mit einem Gehäuse in Verbindung steht, wobei die elastischen Mittel fest mit der stromaufwärtigen Oberfläche des Dichtungsteils verbunden sind, so dass während des Betriebs sowohl die auf das Dichtungsteil durch axial auf und umfangsmäßig über die radial innere Oberfläche strömendes Strömungsmittel ausgeübte Radialkraft als auch die auf das Dichtungsteil wegen einer über dem Dichtungsteil stehenden Druckdifferenz ausgeübte Axialkraft durch die elastischen Mittel aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtungsmittel zwischen der stromabwärtigen Oberfläche des Dichtungsteils und dem Gehäuse vorgesehen ist, wobei das Dichtungsmittel als radial elastischer Ring ausgebildet ist, der in einer umfangsmäßigen Nut sitzt, die im Gehäuse gebildet ist, so dass im Betrieb das Dichtungsmittel in gleitender Berührung mit dem Gehäuse und dem Dichtungsteil steht.
Vorzugsweise ist die radial innere Oberfläche des Dichtungsteils mit einer Mehrzahl von Kanälen versehen, die von der stromaufwärtigen Oberfläche zu der stromabwärtigen Oberfläche verlaufen.
Die Erfindung stellt eine Dichtung zwischen zwei Volumen auf unterschiedlichen Drücken in umlaufenden Maschinen bereit. Wie zuvor erwähnt, ist eine Stelle, wo eine Abdichtung erforderlich ist, die Grenzfläche zwischen einer feststehenden Konstruktion und einer umlaufenden Oberfläche. Die Grenzfläche zwischen einer Statorschaufel und einem Verdichterrotor oder Turbinenrotor (manchmal als Verdichtertrommel oder Turbinentrommel bezeichnet) ist eine solche Stelle.
Die Dichtungsanordnung umfasst einen Ring von Dichtungsteilen, die kontinuierlich oder segmentiert sein können. Die genannten Segmente können miteinander verbunden sein oder einfach aneinander anstoßen. Die Dichtungsanordnung umfasst ein Gehäuse, das bei diesem Ausführungsbeispiel starr am Stator befestigt und an der Grenzfläche zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet ist. Das Gehäuse bietet Abstützung und Festlegung für ein elastisches Mittel, beispielsweise einen Federarm. Das elastische Mittel trägt wiederum ein Dichtungsteil. Ein großer Druckabfall über der Dichtungsanordnung induziert große Axialkräfte auf das Dichtungsteil. Das elastische Mittel bietet axiale Abstützung für das Dichtungsteil, wodurch verhindert wird, dass das Dichtungsteil gegen die stromabwärtige Seite des Gehäuses gedrückt wird und verklemmt.
Die radial innere Oberfläche des Dichtungsteils ist so konfiguriert, dass es im Betrieb einen hydrodynamischen und/oder hydrostatischen Auftrieb erzeugt. Es macht dies durch Rückhalten von Strömungsmittel in einem kleinen Spaltvolumen zwischen der radial inneren Oberfläche und den Rotoren. Dies wird als hydrodynamische und/oder hydrostatische Schmierung oder als "luftschwimmend" bezeichnet. Das eingeschlossene Strömungsmittel bildet eine Luftdichtung zwischen den beiden Volumen, während es auch Verschleiß der benachbarten Oberflächen verhindert.
Der durch die Luftschwimmgeometrie erzeugte Auftrieb kann bei niedrigen Wellendrehzahlen eine Unterstützung durch Belüftungskanäle benötigen, die Strömungsmittel auf stromaufwärtigem Druck die radial innere Oberfläche der Dichtungsteile belüften und dadurch einen zusätzlichen hydrostatischen Auftrieb erzeugen.
Die Anordnung ist besonders für "Schwerlast"-Dichtungsanforderungen in umlaufenden Maschinen geeignet, wo Differenzdrücke, relative radiale Bewegungen, und relative Oberflächengeschwindigkeiten hoch sind. Ein hydrodynamischer und/oder hydrostatischer Auftrieb nimmt zu, wenn die relative Geschwindigkeit zwischen der radial inneren Oberfläche und dem Rotor erhöht wird, was dazu führt, dass ein steiferer Luftfilm erzeugt wird. Dies hilft, eine Berührung zwischen dem Dichtungsteil und dem Rotor während Übergangsbewegungen zu vermeiden. Unter den Hochdrehzahlbedingungen des stationären Zustands kann eine Tendenz zu einem größeren als gewünschten Spalt bestehen, was in einer höheren Leckage resultieren kann. Jedoch ist die Leckage im Vergleich zu einer herkömmlichen Dichtung immer noch klein.
Die Erfindung und wie sie konstruiert und betrieben wird, wird nunmehr in näheren Einzelheiten unter beispielsweise Bezugnahme auf eine Ausführungsform beschrieben, die in den anliegenden Zeichnungen dargestellt ist, in welchen:
1 eine bildliche Darstellung eines Querschnitts eines typischen Gasturbinentriebwerks mit einer Dichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 eine bildliche Darstellung einer typischen Grenzfläche zwischen einer feststehenden Statorschaufel und einer umlaufenden Trommel mit einer Dichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
3 eine vergrößerte Darstellung der Dichtungsanordnung zeigt,
4 eine andere Darstellung der Dichtungsanordnung ist, die eine radial innere Oberfläche zeigt,
5 eine vergrößerte Darstellung der radial inneren Oberfläche zeigt,
6 eine Querschnittsdarstellung der radial inneren Oberfläche zeigt,
7 eine mögliche Form von miteinander verbundenen Segmenten zeigt, wie sie an der Grenzfläche zwischen dem Dichtungsanordnungsgehäuse und der feststehenden Tragkonstruktion erscheinen würde,
8 ein keilförmiges Profil auf der radial inneren Oberfläche zeigt,
9 ein alternatives keilförmiges Profil auf der radial inneren Oberfläche zeigt,
10 einen auf der radial inneren Oberfläche gebildeten Flansch zeigt,
11 zu der radial inneren Oberfläche ausmündende Kanäle zeigt,
12 zu der radial inneren Oberfläche ausmündende Kanäle zeigt,
13 eine alternative Ausführungsform der Konfiguration der radial inneren Oberfläche zeigt,
14 eine weitere alternative Ausführungsform der Konfiguration der radial inneren Oberfläche zeigt.
1 zeigt die Hauptabschnitte eines Gasturbinentriebwerks 2. Die Gesamtkonstruktion unter Betrieb des Triebwerks 2 ist von herkömmlicher Art, in der Fachwelt bekannt und wird in dieser Beschreibung nicht über das zum Verständnis der Erfindung Notwendige hinaus beschrieben. Für die Zwecke dieser Beschreibung ist das Triebwerk in fünf Abschnitte aufgeteilt – einen Gebläseabschnitt 4, einen Verdichterabschnitt 6, einen Brenneinrichtungsabschnitt 8 und einen Turbinenabschnitt 10, die zusammen als "Kerntriebwerk" bekannt sind, und einen Bypass-Abschnitt 12. Der Verdichter 6 und die Turbine 10 weisen Statorschaufeln 14 und Rotorschaufeln 16 bzw. 17 auf. Luft, die allgemein durch den Pfeil "A" angedeutet wird, tritt in das Triebwerk 2 durch den Gebläseabschnitt 4 ein, der auf einer Seite durch eine äußere Wand 18 und auf der anderen Seite durch eine diskontinuierliche innere Wand 20 begrenzt ist. Die Abstützung für die innere Wand 20 und das Kerntriebwerk wird durch eine Anordnung von Stützteilen 22 bereitgestellt, die radial zur äußeren Wand 18 hin verlaufen und mit dieser in Verbindung stehen. Die innere Wand 20 umfasst mehrere feststehende und drehbare Abschnitte, deren Einzelheiten zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind. Die Luft wird verdichtet, und der Luftstrom wird aufgeteilt, so dass er stromabwärts durch den Bypass-Kanal 12 bzw. zum Verdichter 6 strömt, wie allgemein durch "B" bzw. "C" angedeutet ist. Die Luft wird vom Verdichter 6 weiter verdichtet, wobei ein Teil davon in den Brenneinrichtungsabschnitt 8 eintritt, und der Rest der Luft an anderer Stelle verwendet wird. Brennstoff wird in den Brenneinrichtungsluftstrom eingespritzt, der sich mit der Luft vermischt und zündet, bevor sie aus dem hinteren Teil des Triebwerks durch den Turbinenabschnitt 10 ausgetragen wird.
Bei dieser Ausführungsform sind die Niederdruckrotorschaufeln 16 im Verdichter 6 und der Turbine 10 fest verbunden, um eine Niederdruckrotortrommel 26 zu bilden. Die Gebläseschaufeln 24 und die Niederdrucktrommel 26 sind fest mit einer ersten Welle 30 verbunden, die um die Mittelachse des Triebwerks 2 drehbar ist. In gleicher Weise sind die Hochdruckrotorschaufeln 17 im Verdichter 6 und der Turbine 10 fest verbunden, um eine Hochdrucktrommel 28 zu bilden, die fest mit einer zweiten Welle 32 verbunden ist, die um die Mittelachse des Triebwerks 2 drehbar und koaxial mit der ersten Welle 30 ist.
Die erste Welle 30 ist durch Lager 34 am stromaufwärtigen Ende der Welle und durch Lager 36 am stromabwärtigen Ende drehbar gelagert. Erste und zweite feststehende Teile 38 und 40 stützen die Lager 34 bzw. 36 ab, die in Verbindung mit einem feststehenden Abschnitt der inneren Wand 20 stehen. Die zweite Welle 32 ist durch Lager 42 am stromaufwärtigen Ende der Welle und durch Lager 44 am stromabwärtigen Ende drehbar gelagert. Eine Dichtungsanordnung 46 ist fest am Innendurchmesser der zweiten Welle 32 zwischen den genannten Lager 42 und 44 angebracht. Eine Dichtungsanordnung 48 ist fest an den Statorschaufeln 14 angebracht.
In 2 ist eine vergrößerte Ansicht der Grenzfläche zwischen der Dichtungsanordnung 48 und der Turbinenstatorschaufel 14 dargestellt, die bei dieser Ausführungsform als statische Tragkonstruktion 50 wirkt. Die Dichtungsanordnung 48 ist um ein erstes drehbares Teil 52 herum angeordnet und mit der genannten statischen Tragkonstruktion 50 verbunden. Das erste drehbare Teil 52 stellt irgendeine drehbare Oberfläche dar, wie beispielsweise die Niederdruckrotortrommel 26 oder die Hochdruckrotortrommel 28. Die Einzelheiten, wie die Dichtungsanordnung 48 mit der statischen Tragkonstruktion 50 verbunden ist, stellen keinen Schlüssel zum Verständnis des Betriebs der Dichtungsanordnung 48 dar. Relativ zur Dichtungsanordnung 48 ist ein Bereich hohen Drucks stromauf und ein Bereich relativ niedrigen Drucks stromab vorhanden, wie durch "D" bzw. "E" angedeutet ist.
Eine weitere vergrößerte Darstellung der Dichtungsanordnung 48 ist in den 3 und 4 dargestellt. Der Klarheit halber ist die statische Tragkonstruktion 50 nicht gezeigt.
Die Dichtungsanordnung 48 umfasst ein Gehäuse 54, das fest mit einem elastischen Mittel 56 verbunden ist, das wiederum in Verbindung mit einem Dichtungsteil 58 steht, das eine stromaufwärtige Oberfläche 60, eine stromabwärtige Oberfläche 62, eine radial äußere Oberfläche 64 und eine radial innere Oberfläche 66 hat. Das Dichtungsteil 58 ist mit einer Mehrzahl von Kanälen 68 versehen, die von der stromaufwärtigen Oberfläche 60 zur stromabwärtigen Oberfläche 62 über die radial innere Oberfläche 66 verlaufen.
Wie in 5 dargestellt, sind die Kanäle 68 auf der radial inneren Oberfläche 66 gebildet, so dass sie mindestens eine Richtungsänderung haben. "D" und "E" zeigen die stromaufwärtige bzw. die stromabwärtige Seite des Dichtungsteils 58 an.
Die Kanäle 68 haben einen rechteckigen Querschnitt, wie in 6 gezeigt ist. Die Kanäle 68 haben eine Tiefe "d" im Bereich von etwa 0,5 Mikrometer bis 10 Mikrometer, und eine Breite "w" im Bereich von 0,1 mm bis 15 mm mit einem angrenzenden Feld "v" von ungefähr einem Drittel der Kanalbreite. Die genauen Abmessungen hängen von der gewünschten hydrodynamischen und/oder hydrostatischen Filmdicke ab.
Das Dichtungsteil 58 ist mit mindestens einem Belüftungskanal 70 versehen, der von der stromaufwärtigen Oberfläche 60 zu der radial inneren Oberfläche 66 verläuft. Die stromabwärtige Oberfläche 66 des Dichtungsteils 58 ist mit einem Dichtmittel 72 versehen. Das Dichtmittel 72 ist als radial elastischer Ring ausgebildet, der in einer umfangsmäßigen Nut 73 sitzt, die im Gehäuse 54 vorgesehen ist. Im Betrieb steht das Dichtungsmittel 72 in gleitender Berührung mit dem Gehäuse 54 und dem Dichtungsteil 58. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Dichtungsmittel 72 als diskontinuierlicher Ring ausgebildet, der manchmal als Schlitzring bezeichnet wird. Das Dichtungsmittel 72 ist aus mindestens einem einer Gruppe von Materialien ausgewählt, die Stahllegierungen, Nickellegierungen, Bronzelegierungen, Bronze, Kohlegraphit, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Zialon und Stellit umfassen. Für den Fachmann ist klar, dass diese Aufzählung nicht erschöpfend ist.
Es ist außerdem eine Dichtungsvorrichtung 76 vorgesehen, die stromauf des Dichtungsmittels 72 positioniert ist und im allgemeinen radial gerichtet ist, und die eine Abdichtung zwischen dem Gehäuse 54 und dem Dichtungsteil 58 und einer allgemein mit "F" bezeichneten Kammer herstellt. Die genaue Konfiguration der Dichtungsvorrichtung 76 ist nicht wichtig, aber sie kann die Form einer Labyrinthdichtung haben, mit inneren und äußeren ringförmigen Flanschen 78 bzw. 80 in Verbindung mit dem Gehäuse 54 bzw. dem Dichtungsteil 58. Die Flansche 58 und 80 sind so konfiguriert, dass trotz einer etwaigen relativen Radialbewegung zwischen dem Gehäuse 54 und dem Dichtungsteil 58 ein gewundener Pfad hergestellt ist, derart, dass eine gesteuerte, aber minimale Leckage durch die Dichtung stattfindet. Dies stellt sicher, dass die Kammer "F" auf einem geringfügig niedrigeren Druck als die Luft stromauf der Dichtungsvorrichtung 76 bleibt. Bei dieser Anordnung kann das Dichtungsteil 58 frei auf dem Luftfilm schwimmen, wie er durch die radial innere Oberfläche 66 eingefangen ist, und wird nicht durch Hochdruckluft gehemmt, die das Dichtungsteil 58 zum ersten drehbaren Teil 52 hin drängt.
Wie zuvor beschrieben, ist die Dichtungsanordnung 48 als Ring ausgebildet und um ein erstes drehbares Teil 52 herum angeordnet. Der Ring kann kontinuierlich oder zum leichte ren Einbau in Segmente unterteilt sein. Jedes Segment kann einfach an das andere anstoßen, oder, wie die Darstellung des äußeren Durchmessers des Rings in 7 zeigt, als verbundene Segmente 82 ausgebildet sein, wodurch ein gewundener Strömungsmittelleckage-Pfad gebildet wird, so dass eine gesteuerte, aber minimale Leckage durch die Dichtung stattfindet.
Das elastische Mittel 56, die Dichtungsvorrichtung 76, das Dichtungsmittel 72, das Gehäuse 54, und das Dichtungsteil 58 können jeweils als kontinuierlicher Ring ausgebildet sein oder eine Reihe von einfach aneinander gestoßenen oder miteinander verbundenen Segmenten umfassen. Zusätzlich kann pro Segment das elastische Mittel 56 aus einem oder mehreren Elementen gebildet sein.
Im Betrieb wird die Abdichtung zwischen dem Hochdruckbereich D und dem Niederdruckbereich E durch Strömungsmittel aufrechterhalten, das in kleinen Spaltvolumen 84 zwischen der radial inneren Oberfläche 66 und dem ersten drehbaren Teil 52 zurückgehalten wird. Untersuchungen bis heute zeigen, dass eine optimale Leistung erreicht wird, indem ein Spalt 84 von mehr als 1 Mikrometer, aber weniger als etwa 5 Mikrometer aufrechterhalten wird. Die Kanäle 68 sind so konfiguriert, dass Luft in das Spaltvolumen 84 "eingeschaufelt" wird, wo es eine beträchtliche Verweilzeit hat und eine hydrodynamische und/oder hydrostatische oder "Luftschwimm"-Dichtung bildet.
Es ist unbedingt notwendig, dass die radial innere Oberfläche 66 aufrechterhalten wird. Im Betrieb während des Anfahrens oder Abschaltens oder im Ruhezustand kann die radial innere Oberfläche 66 das erste drehbare Teil 52 berühren. Um eine Erosion zu vermeiden, kann die radial innere Oberfläche 66 mit einer erosionsbeständigen Beschichtung oder Oberflächenbehandlung versehen sein, die aus mindestens einer Gruppe von Materialien ausgewählt ist, die mit nitriertem Stahl, aufgekohltem Stahl, harteloxiertes Aluminium, Wolframcarbid, Chromcarbid, Titancarbid, Titannitrid umfasst. Für den Fachmann versteht es sich, dass diese Liste nicht erschöpfend ist.
Wenn der Spalt 84 sich wegen relativer Radialbewegung zwischen der radial inneren Oberfläche 66 und dem ersten drehbaren Teil 52 vergrößert, fällt der im Spalt 84 erzeugte Filmdruck ab, was zu einem Versatz des Dichtungsteils 58 radial einwärts führt. Umgekehrt, wenn der Spalt 84 wegen relativer Radialbewegung zwischen der radial inneren Oberflä che 66 und dem ersten drehbaren Teil 52 kleiner wird, nimmt der im Spalt 84 erzeugte Druck zu, wodurch das Dichtungsteil 58 zur Bewegung auswärts gedrängt wird.
Relative Radialversätze der feststehenden Tragkonstruktion 50 und der ersten drehbaren Oberfläche 52 können zu einer ungünstigen Vergrößerung des Spalts 84 führen. Des weiteren können auch die auf die radial innere Oberfläche 66 als Ergebnis des hydrodynamischen und/oder hydrostatischen Auftriebs erzeugten Radialkräfte einen ungünstigen Einfluss auf den Spalt 84 bewirken. Das elastische Mittel 56 ergibt eine radiale Abstützung für das Dichtungsteil 58, wodurch der Spalt 84 beherrscht wird.
Um den Spalt 84 während des Betriebs innerhalb annehmbarer Grenzen zu halten, wird die radiale Elastitzität des elastischen Mittels 56 gegen die radial auswärts gerichtete Kraft, die durch den hydrodynamischen und/oder hydrostatischen Film im Spalt 84 erzeugt wird, ausgeglichen. Das elastische Mittel 56 ist so konfiguriert, dass, wenn die relative Drehzahl zwischen der radial inneren Oberfläche 66 und dem ersten drehbaren Teil 52 im wesentlichen 0 ist, die radial innere Oberfläche 66 am ersten drehbaren Teil 52 anliegt oder sich in enger Nähe befindet. Zusätzlich ist das elastische Mittel 56 so konfiguriert, dass, wenn die relative Drehzahl zwischen der radial inneren Oberfläche 66 und dem ersten drehbaren Teil 52 klein ist, die radial auswärts gerichtete Kraft, die im hydrodynamischen Film erzeugt wird, ausreichend groß ist, um der radialen Einwärtskraft des elastischen Mittels 56 entgegen zu wirken, wodurch der Spalt 84 aufrechterhalten wird. Desweiteren ist das elastische Mittel 56 so konfiguriert, dass, wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen der radial inneren Oberfläche 66 und dem ersten drehbaren Teil 52 hoch ist, das elastische Mittel 56 der radialen Auswärtskraft in einem solchen Maße entgegenwirkt, dass der Spalt 84 aufrechterhalten wird.
Ein zusätzliches elastisches Mittel kann erforderlich sein, um den Spalt 84 zwischen dem ersten drehbaren Teil 52 und der radial inneren Oberfläche 66 aufrechtzuerhalten. Es kann irgendein geeignetes Mittel eingesetzt werden, um dies zu erreichen, wie als nicht beschränkendes Beispiel eine um die radial äußere Oberfläche 64 des Dichtungsteils 58 herum vorgesehene, in sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder.
Zusätzlich ist das elastische Mittel 56 so konfiguriert, dass es einer wegen einer Druckdifferenz über dem Dichtungsteil 58 auf das Dichtungsteil 58 ausgeübten Axialkraft wider steht. Auf diese Weise wird das Dichtungsteil 58 daran gehindert, gegen das Gehäuse 54 gedrängt und verklemmt zu werden.
Um zusätzlichen Auftrieb bei niedrigen Wellendrehzahlen zu erzeugen, ist die radial innere Oberfläche 66 des Dichtungsteils 58 so ausgebildet, dass im Betrieb ein Spalt 84 zwischen dem ersten drehbaren Teil 52 und der radial inneren Oberfläche 66 aufrechterhalten wird, die am stromaufwärtigen Ende des Dichtungsteils 58 größer als am stromabwärtigen Ende ist, wodurch ein keilförmiger Zwischenraum 86 gebildet ist, wie in 8 gezeigt ist.
Alternativ, wie in 9 gezeigt ist, kann das Dichtungsteil 58 mit einer radial inneren Oberfläche 66 ausgebildet sein, die zur stromaufwärtigen Seite des Dichtungsteils 58 hin keilförmig ist, aber zur stromabwärtigen Seite des Dichtungsteils 58 im wesentlichen parallel mit dem ersten drehbaren Teil 52 ist.
Alternativ, wie in 10 gezeigt ist, ist ein umfangsmäßiger Flansch 88 im wesentlichen zum stromabwärtigen Ende der radial inneren Oberfläche 66 des Dichtungsteils 58 vorgesehen, die einen rechteckig geformten Zwischenraum 90 bildet.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen stellt der Zwischenraum 80, 90 sicher, dass selbst bei Nulldrehzahl oder sehr niedrigen Wellendrehzahlen ein Spalt 84 zwischen der radial inneren Oberfläche 66 und dem ersten drehbaren Teil 52 vorhanden ist. Der Zwischenraum 86, 90 ist mit Luft aus dem Hochdruckbereich "D" gefüllt, der einen hydrodynamischen und/oder hydrostatischen Film bildet, wodurch Auftrieb erzeugt und eine radial auswärts gerichtete Kraft auf das Dichtungsteil 58 ausgeübt wird.
Der von der radial inneren Oberfläche 66 erzeugte Auftrieb kann der Ergänzung bedürfen, wenn die Relativdrehzahl der radial inneren Oberfläche 66 und des ersten drehbaren Teils 52 niedrig ist. Die Belüftungskanäle 70 ermöglichen die Zufuhr von Strömungsmittel aus dem Hochdruckbereich D zur radial inneren Oberfläche 66, wodurch zusätzlicher hydrostatischer Auftrieb bereit gestellt wird. Zusätzlich können die Kanäle 70 Drosseln enthalten, um die Strömung von Luft bei höheren relativen Drehzahlen zu begrenzen, wodurch der Spalt 84 minimiert und die Dichtungsleistung der Auslegungsbedingungen maximiert wird. Die Kanäle 70 enden an der radial inneren Oberfläche 66 entlang einer gemeinsamen Umfangslinie, wie in 11 gezeigt ist. Alternativ, wie in 12 gezeigt ist, können die Kanäle 70 so konfiguriert sein, dass sie in einer weniger regelmäßigen Ordnung an der radial inneren Oberfläche 66 enden.
In einer alternativen Ausführungsform sind die an der radial inneren Oberfläche 66 des Dichtungsteils 58 gebildeten Kanäle 68, wie in 13 dargestellt, unter einem Winkel zur Axialrichtung der Dichtungsebene vorgesehen.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform, wie in 14 dargestellt, sind die Kanäle 68 mit einer gekrümmten Form unter einem Winkel zur Axialrichtung der Dichtungsebene ausgebildet.
Die Dichtungsanordnung 48 kann zum Aufrechterhalten einer Abdichtung in irgendeiner drehenden Maschine einschließlich, aber nicht ausschließlich, Gasturbinenwerken eingesetzt werden.
Die in 1 bis 4 gezeigten Konfigurationen sind schematisch. Die Auslegung und Positionierung der Dichtungsanordnung, Rotorschaufeln, Lager, Gebläsegehäuse und anderer Teile kann variieren. In ähnlicher Weise wird die Kombination und Konfiguration dieser Komponenten zwischen verschiedenen Auslegungen variieren.

Claims

Dichtungsanordnung (48) zum Abdichten eines Leckspalts zwischen relativ zueinander beweglichen Teilen in einem Strömungsweg zwischen einem Bereich hohen Strömungsmitteldrucks (D) und einem Bereich niedrigen Strömungsmitteldrucks (E), mit einem Dichtungsteil (58), das eine stromaufwärtige Oberfläche (60), eine stromabwärtige Oberfläche (62), eine radial äußere Oberfläche (64), und eine radial innere Oberfläche (66) hat, wobei das Dichtungsteil (58) über elastische Mittel (56) mit einem Gehäuse (54) in Verbindung steht, wobei die elastischen Mittel (56) fest mit der stromaufwärtigen Oberfläche (60) des Dichtungsteils (58) verbunden sind, so dass während des Betriebs sowohl die auf das Dichtungsteil (58) durch axial auf und umfangsmäßig über die radial innere Oberfläche (66) strömendes Strömungsmittel ausgeübte Radialkraft als auch die auf das Dichtungsteil (58) wegen einer über dem Dichtungsteil (58) stehenden Druckdifferenz ausgeübte Axialkraft durch die elastischen Mittel (56) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtungsmittel (72) zwischen der stromabwärtigen Oberfläche (62) des Dichtungsteils (58) und dem Gehäuse (54) vorgesehen ist, wobei das Dichtungsmittel (72) als radial elastischer Ring ausgebildet ist, der in einer umfangsmäßigen Nut (73) sitzt, die im Gehäuse (54) gebildet ist, so dass im Betrieb das Dichtungsmittel (72) in gleitender Berührung mit dem Gehäuse (54) und dem Dichtungsteil (58) steht.
Dichtungsanordnung (48) nach Anspruch 1, wobei die radial innere Oberfläche (66) des Dichtungsteils (58) mit einer Mehrzahl von Kanälen (68) versehen ist, die von der stromaufwärtigen Oberfläche (60) zur stromabwärtigen Oberfläche (62) verlaufen.
Dichtungsanordnung (48) nach Anspruch 2, wobei die Kanäle (68) eine Tiefe im Bereich von etwa 0,5 μm bis 10 μm und eine Breite im Bereich von etwa 0,1 mm bis 15 mm mit einem angrenzenden Feld (V) von ungefähr einem Drittel der Breite des Kanals (68) haben.
Dichtungsanordnung (48) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Mehrzahl von Kanälen (68) mindestens eine Richtungsänderung haben.
Dichtungsanordnung (48) nach den Ansprüchen 2 bis 4, wobei die Mehrzahl von Kanälen (68) bogenförmig ist.
Dichtungsanordnung (48) nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei die elastischen Mittel als Kragarm ausgebildet sind.
Dichtungsanordnung (48) nach den Ansprüchen 1 bis 6, wobei das Gehäuse als Ring ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung (48) nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei die Dichtungsanordnung (48) in eine Mehrzahl von Segmenten unterteilt ist.
Dichtungsanordnung (48) nach den Ansprüchen 1 bis 8, wobei die Dichtungsanordnung (48) in eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Segmenten unterteilt ist.
Dichtungsanordnung (48) nach Anspruch 8 und Anspruch 9, wobei die elastischen Mittel (56) aus einem oder mehreren Elementen pro Segment gebildet sind.
Dichtungsanordnung (48) nach den Ansprüchen 1 bis 10, wobei das Dichtungsteil (58) zur Herstellung mindestens eines Kanals durchbrochen ist, der von der stromaufwärtigen Oberfläche zu der radial inneren Oberfläche verläuft.
Dichtungsanordnung (48) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtungsmittel (72) als diskontinuierlicher Ring ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung (48) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtungsmittel (72) aus mindestens einem aus einer Gruppe aus Materialien ausgewählt ist, die Stahllegierungen, Nickellegierungen, Bronze, Kohle-Graphit, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Zialon und Stellit umfassen.
Dichtungsanordnung (48) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dichtungsvorrichtung zwischen dem Gehäuse und dem Dichtungsteil vorgesehen ist, wobei die Dichtungsvorrichtung stromauf der stromabwärtigen Oberfläche positioniert ist.
Dichtungsanordnung (48) nach Anspruch 14, wobei die Dichtungsvorrichtung (76) eine stromaufwärtige Oberfläche und eine stromabwärtige Oberfläche hat und mit radial verlaufenden Flanschen (78, 80) in Verbindung mit dem Gehäuse (54) und dem Dichtungsteil (58) versehen ist, die so konfiguriert sind, dass ein gewundener Pfad zwischen der stromaufwärtigen Oberfläche und der stromabwärtigen Oberfläche der Dichtungsvorrichtung (76) gebildet ist, so dass eine gesteuerte, aber minimale Leckage durch die Dichtungsvorrichtung (76) stattfindet.
Dichtungsanordnung (48) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radial innere Oberfläche (66) des Dichtungsteils (58) mit einer erosionsbeständigen Oberfläche versehen ist.
Dichtungsanordnung (48) nach Anspruch 16, wobei die radial innere Oberfläche (66) des Dichtungsteils (58) mit mindestens einem der Materialien aus einer Gruppe beschichtet sind, die nitrierten Stahl, harteloxiertes Aluminium, Wolframkarbid, Chromkarbid, Titankarbid, Titannitrid umfasst.