DE69513030T2

DE69513030T2 - Drehbares dichtungselement

Info

Publication number: DE69513030T2
Application number: DE69513030T
Authority: DE
Inventors: Gary Peters; Robert Stirt
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1994-08-24
Filing date: 1995-08-17
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2015-08-18
Also published as: JPH10504631A; EP0777819A1; WO1996006267A1; US6082738A; JP3710480B2; DE69513030D1; EP0777819B1; CN1068924C; US5984314A; TW325506B; CN1155917A

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationsmaschine mit einem Arbeitsmediumsströmungsweg und einem rotationsfähigen Dichtungselement, welches sich umfangsmäßig um eine Rotationsachse erstreckt. Insbesondere betrifft die Erfindung Dichtungselemente, die aus einer Mehrzahl von gestuften Ringen gebildet sind. Sie hat besondere Anwendung auf Gasturbinenmaschinen, um die Leckströmung von Arbeitsmediumsgasen an der Begrenzung des Arbeitsmediumsströmungswegs zu blockieren.
Ein Beispiel einer Rotationsmaschine ist eine Gasturbinenmaschine. Die Gasturbinenmaschine hat eine Rotoranordnung, die sich axial durch die Maschine erstreckt. Eine Statoranordnung erstreckt sich umfangsmäßig um die Rotoranordnung. Ein Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase erstreckt sich durch die Maschinen durch die Rotoranordnung und die Statoranordnung und ist von Elementen von beiden Anordnungen begrenzt.
Die Rotoranordnung weist typischerweise eine Rotorscheibe und eine Mehrzahl von Rotorlaufschaufeln auf, welche sich radial nach außen über den Arbeitsmediumsströmungsweg erstrecken. Die Statoranordnung weist ein Außengehäuse und Anordnungen von Statorleitschaufeln oder Streben auf, die sich radial über den Arbeitsmediumsströmungsweg nach innen erstrecken. Eine Dichtungsanordnung ist zwischen der Rotorscheibe der Rotoranordnung und der Strebe der Statoranordnung vorgesehen, um eine Begrenzung des Arbeitsmediumsströmungswegs zu schaffen.
Ein Beispiel einer derartigen Konstruktion ist in dem US-Patent Nr. 5,152,666 gezeigt, das Stripinis und Walsh erteilt wurde und den Titel "Stator Assembly for a Rotary Machine" trägt. Die Dichtungsanordnung ist den Bezugszeichen 148 und 152 benachbart gezeigt. Die Dichtungsanordnung weist ein sich umfangsmäßig erstreckendes Flächenelement auf, das nach innen gerichtet ist. Das Dichtungsflächenelement ist an der Statoranordnung befestigt und umfangsmäßig durchgehend. Ein rotationsfähiges Dichtungselement erstreckt sich umfangsmäßig um die Rotationsachse Ar der Maschine.
Das rotierfähige Dichtungselement weist ein umfangsmäßig durchgehendes Abstützelement und eine Mehrzahl von Dichtungselementen auf, die sich von dem Abstützelement radial nach außen erstrecken.
Die rotierfähigen Dichtungselemente sind aus einer Mehrzahl von gestuften Ringen mit abgeschrägten Übergangsschultern zwischen den Ringen gebildet. Der äußerste Ring wird als Finne-Ring (fin-ring) bezeichnet, und die Abstützringe werden als Fußringe bezeichnete. Die Ringe sind in eine Richtung rechtwinklig zu der Umfangsrichtung mit dem Erstrecken des Dichtungselements nach außen dünner werdend ausgebildet. Das verringert Spannungen in dem Dichtungselement, indem die Masse des Dichtungselements verringert wird. Jedes rotierfähige Dichtungselement ist umfangsmäßig durchgehend. Als Folge sind die Ringe großen Ringspannungen ausgesetzt, wenn das Dichtungselement um die Rotationsachse Ar rotiert.
Unter Betriebsbedingungen kann die rotierfähige Dichtung gegen das Dichtungsflächenelement reiben, das Dichtungselement abradieren und an dem Kontaktbereich Wärme erzeugen. Die thermischen und mechanischen Spannungen, die sich ergeben, verbunden mit den sehr großen Ringspannungen, die sich aus den hohen Drehzahlen der Rotoranordnung ergeben, können das Ausbilden eines Risses bewirken, nachdem die Struktur zyklischen Spannungen ausgesetzt wurde. Die zyklischen Spannungen ergeben sich aus den mechanischen und thermischen Spannungen, die mit dem Beschleunigen der Maschine von Dichtungsniveau-Startbedingungen (hohe Drehzahlen, sehr heiße Temperaturen) und Verzögern der Maschine nach dem Reiseflug auf Leerlauf-Abstieg und Abschalten der Maschine verbunden sind. Der Riß wächst radial nach Innen und das mit einer explosiven Geschwindigkeitsrate, sobald er sich von der strömungsaufwärtigen Seite zu der strömungsabwärtigen Seite des Dichtungselements erstreckt. Das ergibt sich zum Teil in Folge der Wirkung der auf die Bruchstelle des Risses beim Nachinnenfortschreiten des Risses wirkenden Ringspannungen.
Die Ringspannungen liefern eine bestimmte Energie, die zur Verfügung steht, um ein Wachsen des Risses zu bewirken. Die Energie ist proportional zur aufgebrachten Ringspannung. Für jedes Material gibt es einen mit der zyklischen Ermüdung verbundenen kritischen Faktor, der als der Faktor für die kritische Spannungsintensität (Kic) bezeichnet wird. Kic gibt die Spannungsintensität an der Rißspitze wider, bei der das Rißwachstum unstabil wird und ein Zerbrechen der Struktur innerhalb einer geringen Anzahl von Zyklen auftritt. Kic wird in den Einheiten Pascal und Zentimeter hoch Einhalb ausgedrückt (Pfund pro Squareinch und Inch hoch Einhalb (psi in 1/2)).
Ein weiterer wichtiger Faktor ist K momentan (Ki). Ki ist der tatsächliche Spannungsintensitätsfaktor für einen Riß. Er steht in Beziehung zu der Spannung, zu Geometriefaktoren und der Rißgröße. Sobald Ki Kic überschreitet, wurde der Faktor für die kritische Spannungsintensität überschritten und das Rißwachstum wir unstabil und schnell. Der Riß kann so schnell wachsen, daß er durch das darunterliegende Abstützelement fortschreitet, ein Brechen des Stützelements verbunden mit einer Auflösung des Abstützelements und eine Beschädigung an den rotierenden Bauteilen strömungsabwärts bewirkt. Folglich hat die Messerkante, sobald sich ein Riß in einer rotierenden Messerkante auszubilden beginnt, nur noch eine vorgegebene Lebensdauer und muß ersetzt werden. Wenn der Riß bei regulären Inspektionsintervallen übersehen wird, kann der Riß in die darunterliegende Abstützstruktur mit den einhergehenden schädlichen Effekten fortschreiten.
Folglich haben sich Wissenschaftler und Ingenieure, die unter Anleitung der Anmelderin arbeiten, bemüht, Dichtungselemente zu konstruieren, die für eine verlängerte Lebensdauer sorgen, sobald ein Riß in dem Dichtungselement beginnt, und ein Mittel zum Verlangsamen von Rißwachstum an verschiedenen Übergängen in Dichtungselementen zu entwickeln, um sicherzustellen, daß reguläre Inspektionen einen Riß in dem Dichtungselement vor einem derartigen katastrophalen Versagen aufdecken, selbst wenn bei einer Inspektion die Ausbildung des Risses übersehen wird.
Die Erfindung basiert zum Teil der Erkenntnis, daß bei einer vorgegebenen Rißgröße eine Änderung des Geometriefaktors (der den Wert von K momentan beeinflußt) die Geschwindigkeitsrate des Rißwachstums verringern kann und die Zunahme in der Rißgröße kompensieren kann, welche die Rate des Rißwachstums erhöht. Diese Änderung des Geometriefaktors kann verwendet werden, um die Spannung pro Einheitsfläche an der Rißfront zu verringern, indem man die Länge des Materials, durch welches sich der Riß erstreckt, erhöht.
Das ist besonders kritisch, wenn es einen horizontalen Riß gibt, der sich von einer freien Seite der Struktur zu einer weiteren freien Seite der Struktur erstreckt. Ein derartiger Riß wird als "Durchgangsriß" ("through crack") bezeichnet. Wenn es einen horizontalen Durchgangsriß gibt, muß der Riß im wesentlichen nur in eine Richtung über eine lineare Front wachsen. Die gleiche Menge an Energie bewirkt mehr Rißwachstum bei einer vorgegebenen Spannungsbeanspruchung, weil die Einheitsspannung pro Rißlänge höher ist, als das der Fall wäre, wenn die Rißfront länger wäre.
Die Erfindung basiert auch zum Teil auf der Erkenntnis, daß durch ein Verwenden des Geometriefaktors, um den Riß zu zwingen, sich an Zwischenflächen zwischen den Ringen von gestuften Dichtungselementen dramatisch zu krümmen, die Rate des Rißwachstums an diesem Ort verringert werden kann. Somit kann, wenn der Riß gekrümmt ist oder mehrere Erstreckungsrichtungen hat, das Rißwachstum verlangsamt werden und der Riß gezwungen werden, Energie für ein Wachsen in mehrere unterschiedliche Richtungen statt über eine einzelne Rißfront, aufzuwenden. Das ergibt eine größere Fläche zum Verteilen der Spannungsenergie der Struktur und führt zu einem langsameren Rißwachstum. Eine Art um einen Vorteil aus diesem Phänomen zu ziehen, ist die Verwendung des Übergangs zwischen gestuften Ringen, um sicherzustellen, daß, wenn sich der Riß rechtwinklig zu einer Oberfläche erstreckt, sich dieser zu sich selbst zurückbiegt und die längere Rißfront bildet. Außerdem schafft der Übergang zwischen den gestuften Ringen dann eine bequeme Inspektionsstelle zum Bestimmen, ob die Struktur ersetzt werden muß.
GB-A-2159895 beschreibt ein rotierfähiges Dichtungselement für eine Rotationsmaschine, welche sich umfangsmäßig um eine Rotationsachse Ar der Maschine erstreckt, wobei das Dichtungselement eine Mehrzahl von Ringen aufweist, die um eine sich umfangsmäßig erstreckende Ebene angeordnet sind, aufweisend:
einen inneren Ring, der sich umfangsmäßig um die Achse Ar und von der Oberfläche eines weiteren Bereichs des Dichtungselements in eine erste Richtung nach außen erstreckt, wobei der innere Ring aufweist:
eine erste Seite, die sich umfangsmäßig erstreckt,
eine zweite Seite, die sich umfangsmäßig erstreckt und von der ersten Seite beabstandet ist,
eine erste Oberfläche, die in die erste Richtung gerichtet ist;
einen äußeren Ring, der sich umfangsmäßig um die Achse A, und in die erste Richtung von der ersten Oberfläche des inneren Rings nach außen erstreckt, wobei der äußere Ring aufweist:
eine erste Seite, die sich umfangsmäßig erstreckt,
eine zweite Seite, die sich umfangsmäßig erstreckt,
eine zweite Oberfläche, die in die erste Richtung gerichtet ist, die von der ersten Oberfläche um eine in der ersten Richtung gemessene Höhe beabstandet ist, und eine benachbart zu der ersten Oberfläche gemessene Dicke zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite hat;
wobei die erste und die zweite Seite des äußeren Rings je an die erste Oberfläche des inneren Rings mit einem Ausrundungsradius anschließen und sich die erste Oberfläche des inneren Rings von der ersten Seite des inneren Rings eine Strecke zur Seite und von der zweiten Seite des inneren Rings eine Strecke zur Seite erstreckt und sich über diese Strecken von dem äußeren Ring in eine Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung nicht wegerstreckt.
Die vorliegende Erfindung ist gegenüber GB-A-2159895 dadurch gekennzeichnet, daß die erste Seite und die zweite Seite des äußeren Rings in der ersten Richtung aufeinander zu konvergieren und daß der Ausrundungsradius kleiner oder gleich ein Drittel der an einem der ersten Oberfläche benachbarten Ort gemessenen Dicke des äußeren Rings ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der innere Ring ein Fuß und der äußere Ring eine Finne, die symmetrisch zu einer sich umfangsmäßig erstreckenden Ebene angeordnet sind, die durch die Stellen der Vorderkante der Rißfront beim Passieren der Rißfront durch das Dichtungselement geht.
Ein bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Dichtungselement, das umfangsmäßig durchgehend ist. Das Dichtungselement weist ein Abstützelement und eine Mehrzahl von gestuften Ringen auf. Jeder Ring ist schmaler als die Ringe zwischen sich und dem Abstützelement. Bei einer Ausführungsform besteht das Element aus einem äußeren Ring und einem inneren Ring. Ein weiteres Merkmal ist ein Ausrundungsradius, der sich von einer Seite des äußeren Rings zu der Oberfläche des inneren Rings erstreckt. Die Oberfläche des inneren Rings erstreckt sich zu der Seite des inneren Rings und ist entweder in Richtung auf den äußeren Ring geneigt oder rechtwinklig zu der sich umfangsmäßig erstreckenden Ebene, um die der Ring angeordnet ist. Bei einer speziellen Ausführungsform ist das Verhältnis der Höhe des äußeren Rings zu der Dicke des äußeren Rings an einer Stelle, die dem inneren Ring benachbart ist, kleiner oder gleich Eineinhalb. Der flache Bereich der Oberfläche des inneren Rings ist größer oder gleich dem halben Ausrundungsradius zwischen dem äußeren und dem inneren Ring.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform ist die zyklische Ermüdungslebensdauer eines Dichtungselements, die sich aus der Geometrie der Zwischenfläche zwischen benachbarten Ringen ergibt, was bewirkt, daß sich bildende Risse in mehr als eine Lateralrichtung an der Zwischenfläche zwischen den Ringen wachsen müssen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Form ist die Vorhersagbarkeit der minimalen zyklischen Lebensdauer der Dichtungsanordnung, die durch den retardierenden Effekt der Zwischenflächen zwischen den gestuften Ringen auf das Fortschreiten des Rißwachstums geschaffen ist. Das ermöglicht eine Inspektion zu beabstandeten Intervallen der zyklischen Lebensdauer der Struktur und stellt dennoch sicher, daß Risse nicht bis zu dem Abstützelement voranschreiten, wenn bei einer Inspektion der Riß nicht entdeckt werden sollte.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Axialströmungsgasturbinenmaschine, zum Teil weggebrochen, um einen Teil des Turbinenabschnitts der Maschine zu zeigen.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Gasturbinenmaschine und zeigt im Schnitt eine Mehrzahl von umfangsmäßig durchgehenden, rotierfähigen Dichtungselementen.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Dichtungselements der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des in Fig. 3 gezeigten Dichtungselements.
Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des in Fig. 3 gezeigten Dichtungselements.
Fig. 6 ist eine Rotorscheibe mit einer Mehrzahl von sich umfangsmäßig erstreckenden Dichtungselementen.
Fig. 7 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Tiefe des Rißwachstums gegenüber der zyklischen Lebensdauer von einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in einem Flugzeug-Gasturbinentriebwerk verwendet wird.
Fig. 8 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der vorhergesagten zyklischen Ermüdungslebensdauer für ein Dichtungselement und der geometrischen Ausbildung zwischen einem äußeren Ring und einem inneren Ring.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung der Ausbildungen einer Rißfront beim Passieren der Rißfront durch ein Dichtungselement.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Axialströmungsrotationsmaschine 10. Die Rotationsmaschine 10 weist einen Verdichterabschnitt 12, einen Verbrennungsabschnitt 14 und einen Turbinenabschnitt 16 auf. Ein Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase 18 erstreckt sich axial durch die Abschnitte der Maschine. Eine Statoranordnung 22 erstreckt sich axial durch die Maschine außerhalb des Strömungswegs, um den Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase zu begrenzen. Eine Rotoranordnung 24 ist innerhalb des Strömungswegs für Arbeitsmediumsgase angeordnet.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in Fig. 1 gezeigten Turbinenabschnitts 16. Die Statoranordnung 22 weist ein äußeres Gehäuse 26 und eine Mehrzahl von Statorleitschaufeln 28 auf, die sich über den Arbeitsmediumsströmungsweg radial nach innen erstrecken. Die Statorleitschaufeln sind mit einer Mehrzahl von sich umfangsmäßig erstreckenden Dichtungsflächenelementen 30 verbunden, die radial außerhalb der Rotoranordnung beabstandet sind. Ein Dichtungsflächenelement ist umfangsmäßig durchgängig.
Die Rotoranordnung 24 weist eine Rotorscheibe 32 und eine Mehrzahl von Rotorlaufschaufeln 34 auf. Die Rotorlaufschaufeln erstrecken sich radial über den Arbeitsmediumsströmungsweg 18 nach außen in enge Nähe zu dem äußeren Gehäuse. Die Rotorlaufschaufeln haben eine Mehrzahl von Dichtungs-Messerkanten 36 an der Spitze einer jeden Rotorlaufschaufel. Die Messerkanten erstrecken sich jeweils umfangsmäßig für eine kurze Strecke an der Spitze der Rotorlaufschaufeln. Die benachbarten Messerkanten bilden eine sich umfangsmäßig erstreckende Dichtung, die umfangsmäßig nicht durchgängig ist und keinen Ringspannungen ausgesetzt ist.
Die Rotoranordnung 24 weist auch ein rotierfähiges Dichtungselement 38 auf. Das Dichtungselement hat ein sich axial erstreckendes Abstützelement 42, das sich umfangsmäßig um die Achse Ar erstreckt. Das Abstützelement hat eine Oberfläche 44. Das Dichtungselement hat eine Mehrzahl von gestuften Ringen, wie durch die Ringe 46, 48 und 50 gezeigt, die sich von der Oberfläche des Abstützelements nach außen erstrecken. Das Abstützelement hat eine Dicke Ts, gemessen in einer Richtung rechtwinklig zu der Oberfläche des Abstützelements und ist den Ringen benachbart.
Die Rotoranordnung weist ein zweites Dichtungselement 52 auf. Das zweite Dichtungselement hat ein erstes Abstützelement 54, welches sich von der Rotorscheibe 32 axial erstreckt, und ein zweites Dichtungselement 56, das mit dem ersten Abstützelement verbunden ist. Wie bei dem Dichtungselement 38 hat das Dichtungselement eine Mehrzahl von gestuften Ringen, die umfangsmäßig durchgängig sind. Die Dichtungselemente 38 und 52 stehen im Gegensatz zu den Dichtungselementen 36, die umfangsmäßig nicht durchgängig sind.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des rotierfähigen Dichtungselements 38, welches in Fig. 2 gezeigt ist. Das rotierfähige Dichtungselement hat drei gestufte Ringe 46, 48 und 50. Der erste Ring erstreckt sich umfangsmäßig um die Achse Ar. Der erste Ring erstreckt sich in eine erste Richtung Dir&sub1; von der Oberfläche 44 des Abstützelements 42 nach außen und ist um eine sich umfangsmäßig erstreckende Ebene P1 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist die sich umfangsmäßig erstreckende Ebene eine Symmetrieebene.
Der erste Ring hat eine erste Seite 62, die sich umfangsmäßig erstreckt, und eine zweite Seite 64, die sich umfangsmäßig und parallel zu der ersten Seite erstreckt. Die erste und die zweite Seite sind von der Symmetrieebene gleich weit beabstandet. Der erste Ring hat auch eine erste Oberfläche 66, die in die erste Richtung gerichtet ist. Die erste Oberfläche ist von der Oberfläche 44 des Abstützelements eine Höhe H&sub1; gemessen in der ersten Richtung beabstandet. Der erste Ring hat eine Dicke T&sub1; zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite, gemessen rechtwinklig zu der Umfangsrichtung. Die Dicke T&sub1; ist das Breitenmaß der ersten Oberfläche.
Die erste und die zweite Seite 62, 64 des ersten Rings sind jeweils mit einem Ausrundungsradius R&sub1; an die Oberfläche 44 des Abstützelements angeschlossen. Der Ausrundungsradius R&sub1; ist kleiner als oder gleich ein Drittel der Dicke des ersten Rings (R&sub1; ≤ 1/3 T&sub1;). Die Oberfläche des Abstützelements erstreckt sich über eine Strecke D&sub1; von der ersten Seite 62 des ersten Rings zur Seite und über eine Strecke D&sub2; von der zweiten Seite 64 des ersten Rings zur Seite. Die Strecke D&sub1; und die Strecke D&sub2; sind jeweils größer oder gleich der Hälfte des Ausrundungsradius R&sub1; (D&sub1;, D&sub2; ≤ 1/2 R&sub1;). Die Oberfläche des Abstützelements erstreckt sich nicht entgegengesetzt zu der ersten Richtung über diese Strecke D&sub1; und die Strecke D&sub2; hinaus. In der gezeigten Ausführungsform ist sie rechtwinklig zu der Richtung D&sub1;. Bei anderen Ausführungsformen kann die Oberfläche zu der ersten Richtung geneigt sein. Die Dicke des Abstützelements TS ist größer als oder gleich einhalb mal der Dicke T&sub1; des ersten Rings.
Der zweite Ring 48 erstreckt sich umfangsmäßig um die Achse von Ar und von der ersten Oberfläche 66 des ersten Rings 46 nach außen. Der zweite Ring erstreckt sich in der ersten Richtung und hat eine erste Seite 68, die sich umfangsmäßig erstreckt, und eine zweite Seite 72, die sich umfangsmäßig und parallel zu der ersten Seite erstreckt. Der zweite Ring 48 hat eine Dicke T&sub2; zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite, gemessen rechtwinklig zu der Umfangsrichtung. Der zweite Ring hat eine zweite Oberfläche 74, die in die erste Richtung gerichtet ist, die von der ersten Oberfläche 66 eine in die erste Richtung gemessene Höhe H&sub2; beabstandet ist. Die zweite Oberfläche 74 des zweiten Rings hat eine Länge, die gleich der Dicke T&sub2; an einer Stelle ist, die der zweiten Oberfläche benachbart ist. Die erste und die zweite Seite 68, 72 des zweiten Rings schließen jeweils mit einem Ausrundungsradius R&sub2; an die erste Oberfläche des ersten Rings an. Der Ausrundungsradius R&sub2; ist kleiner oder gleich ein Drittel der Dicke T&sub2; des zweiten Rings an einer Stelle, die dem Ausrundungsradius R&sub2; benachbart ist (R&sub2; ≤ 1/3 T&sub2;). Die erste Oberfläche 66 des ersten Rings 46 erstreckt sich eine Strecke S&sub1; von der ersten Seite 62 des ersten Rings 46 zur Seite und eine Strecke S&sub2; von der zweiten Seite 64 des ersten Rings zur Seite. Jede dieser Strecken S&sub1; und S&sub2; ist größer oder gleich einhalb mal dem Ausrundungsradius R&sub2; (S&sub1;, S&sub2; ≤ 1/2 R&sub2;). Die erste Oberfläche erstreckt sich über die Strecke S&sub1; und die Strecke S&sub2; nicht entgegengesetzt zu der ersten Richtung weg von dem zweiten Ring.
Bei alternativen Ausführungsformen kann der zweite Ring der Ring sein, der mit dem Abstützelement zusammenwirkt. Bei einer derartigen Ausführungsform wäre der zweite Ring der innere Ring und der dritte Ring wäre der äußere Ring. Der innere Ring würde zu der Oberfläche des Abstützelements in der gleichen Beziehung stehen, wie er sie zu der Oberfläche des ersten Rings hat. Ein Beispiel einer derartigen Ausführungsform ist als Dichtungselement 38a in Fig. 6 gezeigt. Eine weitere Ausführungsform kann mehr als drei Ringe haben, wie durch das Element 38b in Fig. 6 gezeigt.
Der dritte Ring 50 erstreckt sich umfangsmäßig um die Achse Ar und von der zweiten Oberfläche 74 des zweiten Rings 48 nach außen in die erste Richtung. Der dritte Ring 50 hat eine sich umfangsmäßig erstreckende erste Seite 76 und eine sich umfangsmäßig erstreckende zweite Seite 78. Die erste und die zweite Seite konvergieren in Richtung nach außen oder in die erste Richtung und haben einen Winkel zwischen den Seiten, der in einem Bereich von sieben bis zehn Grad (7º - 10º) liegt. Der dritte Ring hat eine dritte Oberfläche 82, die in die erste Richtung gerichtet ist. Die dritte Oberfläche ist von der zweiten Oberfläche eine Höhe H&sub3; gemessen in der ersten Richtung beabstandet. Der dritte Ring hat eine Dicke T&sub3; zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite, gemessen rechtwinklig zu der Umfangsrichtung und der zweiten Fläche benachbart. Das Verhältnis der Höhe H&sub3; zu der Dicke T&sub3; ist kleiner oder gleich Eineinhalb (H&sub3;/T&sub3; ≤ 1,5). Dieses Maß wird in dem Technikgebiet aus Gründen des Wärmeübertragens während eines Anreibens häufig verwendet. Die erste und die zweite Seite 76, 78 des dritten Rings schließen jeweils mit einem Ausrundungsradius R&sub3; an die zweite Oberfläche des zweiten Rings an. Der Ausrundungsradius R&sub3; kleiner als oder gleich 1/3 der Dicke T&sub3; des dritten Rings, gemessen an einer Stelle, die der zweiten Oberfläche benachbart ist. Die zweite Oberfläche 74 des zweiten Rings erstreckt sich eine Strecke P&sub1; von der ersten Seite 68 des zweiten Rings zur Seite und eine Strecke P&sub2; von der zweiten Seite 72 des zweiten Rings zur Seite. Jede dieser Strecken ist größer oder gleich einhalb mal der Ausrundungsradius R&sub3;. Die zweite Oberfläche erstreckt sich über die Strecke P&sub1; und P&sub2; nicht entgegengesetzt zu der ersten Richtung und erstreckt sich somit nicht weg von dem dritten Ring.
In einer alternativen Ausführungsform, wie durch die unterbrochene Linie in Fig. 3 gezeigt, kann sich die zweite Oberfläche 74a in Richtung zu dem dritten Ring und in Richtung zu der ersten Richtung erstrecken.
Fig. 4 ist eine alternative Ausführungsform 38' des in Fig. 3 gezeigten Richtungselements 38 und erstreckt sich in eine Horizontalrichtung, so daß die Umfangsebene P1&sub1; parallel zu der Rotationsachse Ar ist. In anderer Hinsicht ist die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform ähnlich der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform mit den Beziehungen von H&sub3; und T&sub3; und den Beziehungen zwischen Höhe, Dicke und Ausrundungsradien und flachen Oberflächen an den Oberflächen der Ringe.
Fig. 5 ist eine alternative Ausführungsform 38" des in Fig. 4 gezeigten rotierfähigen Dichtungselements 38. Die sich umfangsmäßig erstreckende Ebene P1&sub2;, um die das Dichtungselement angeordnet ist, ist zu der Rotationsachse Ar geneigt und mit einem Winkel vorgesehen. In anderer Hinsicht ist sie ähnlich der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform mit der Ausnahme, daß die äußerste Fläche des äußeren Rings ausgehend von der äußeresten Oberfläche eine Spitze 84 hat, wobei die Spitze eine Oberfläche 86 aufweist, die zu dem sich umfangsmäßig erstreckenden Dichtungsflächenelement 30 an der Statoranordnung parallel ist.
Fig. 6 ist eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform 92 der Rotoranordnung 24, wobei Teile der Anordnung zu Zwecken der Klarheit weggebrochen sind. Wie man erkennen kann, kann das Abstützelement 94a, 94b entweder konisch oder zylindrisch sein. In beiden Fällen wird die Dicke TS des Abstützelements rechtwinklig zu der Oberfläche des Abstützelements an einer dem Dichtungssegment benachbarten Stelle gemessen. Die Anzahl von Ringen an jedem Dichtungselement kann zwei, drei oder vier betragen, wie durch die unterschiedlichen Ausführungsformen 38, 38a, 38b des in Fig. 6 gezeigten Dichtungssegments gezeigt. Wie in der Fig. 6 gezeigt, ist die Oberfläche 95a von der ersten Richtung weg geneigt (was die Auswirkung des Geometriefaktors auf verlangsamtes Wachstum verringert), und die Oberfläche 95b ist in Richtung zu der ersten Richtung geneigt (was die Auswirkung auf den Geometriefaktor erhöht).
Fig. 7 ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Tiefe eines Risses gegen die zyklische Lebensdauer des Dichtungselements basierend auf aktuellen Tests in einem Rotationsgestell zeigt. Die Kurve A zeigt eine Konfiguration mit abgeschrägten Seiten an der Seite der Messerkante. Kurve B zeigt die vorliegende Erfindung, die Oberflächen besitzt, die von der ersten Richtung nicht weg geneigt sind. Wie in Kurve B gezeigt, ist die zyklische Lebensdauer der vorliegenden Erfindung für die gleiche Tiefe der Nut annähernd doppelt so groß wie die einer Konfiguration mit einer Verjüngung, die einen großen Radius besitzt (16.000 Zyklen gegenüber etwa 8.000 Zyklen).
Fig. 8 ist ein nicht dimensionsmäßiger grafischer Vergleich der zyklischen Lebensdauer zu der Konfiguration der Oberfläche an der Zwischenfläche zwischen dem äußeren und dem inneren Ring für eine Konstruktion, die bei einer Gasturbinenmaschine verwendet wird. Für abgeschrägte Seiten an dem Übergang zwischen Ringen gibt es eine geringe Zunahme bei der zyklischen Lebensdauer, wenn die schwach abgeschrägten Seiten durch stark abgeschrägte Seiten ersetzt werden (Verjüngung, große Ausrundung R, kleine Ausrundung R). Das Einführen eines schmalen Flachbereichs (Flachbereich < 1/2 Ausrundungsradius R) erhöht die zyklische Lebensdauer. Mit der Annäherung des Flachbereichs an eine Zahl gleich oder größer einhalb mal der Ausrundungsradius R erhöht sich die zyklische Lebensdauer dramatisch.
Fig. 9 ist eine grafische Darstellung des Fortschreitens eines Risses in Radialrichtung beim Wachsen des Risses durch eine Messerkantendichtung. Je Linie repräsentiert die voranschreitende Rißfront bei ihrer Bewegung durch die Struktur. Wie gezeigt, bewegt sich die Vorderkante der Rißfront entlang der Umfangsebene der Symmetrie P1.
Beim Betrieb der Gasturbinenmaschine rotiert die Rotoranordnung mit Drehzahlen von vielen tausend Umdrehungen pro Minute. Ringspannungen werden in dem umfangsmäßig durchgehenden Dichtungssegment hervorgerufen. Beim Anreiben des Dichtungssegmens gegen das Dichtungsflächenelement, erzeugt die Reibung Wärme und bringt thermische und mechanische Spannungen zu den Ringspannungen dazu. Schließlich wird sich in dem Dichtungssegment ein Riß ausbilden. Der Riß weitet sich über den äußersten Ring 50 aus (der häufig als Finne-Ring oder Finne bezeichnet wird). Wenn der Ring die strömungsabwärtige (erste) Seite 76 und die strömungsaufwärtige (zweite) Seite 78 des Rings erreicht, schreitet der Ring sehr sehr schnell voran. Der Riß bewegt sich schnell durch den äußeren Ring (dritter Ring 50) zu der Zwischenfläche zu dem inneren Ring (zweiten Ring 48). Die Rißfront ist immer rechtwinklig zu der freien Fläche (Seite 76, 78) die sie schneidet. Als Folge der flachen zweiten Oberfläche 74, nimmt die Rißfront eine ausgeprägt elliptische oder kreisförmige Gestalt an der Zwischenfläche zwischen zwei Ringen ein. Das bewirkt ein Wachstum des Risses in mehrere Richtungen und ein Verteilen der Dehnungsenergie über die größere Länge des Risses, die zum Bewirken des Rißwachstums verfügbar ist. Damit verringert der Geometriefaktor die Rate des Rißwachstums und erhöht die zyklische Lebensdauer der Struktur. Beim Bewegen des Risses nach unten in den zweiten (inneren) Ring 48 (siehe Fig. 7, Kurve B) erreicht die Rißfront schließlich die strömungsaufwärtige und strömungsabwärtige Seite des Innenrings. An diesem Punkt nimmt der Riß eine flache elilptische Gestalt ein (und verkürzt die Länge des Risses) und beginnt sich schneller nach unten in Richtung zu dem Abstützelement zu bewegen. Wenn dort ein weiterer oder (dritter Ring) Ring ist, schreitet das Rißwachstum in der gleichen Weise voran.
Sobald der Riß das Abstützelement erreicht, schneidet der Riß wieder die Flachbereiche an dem innersten Ring und bewirkt wieder das Einnehmen einer elliptischen Gestalt des Risses. Die Rißfront bewegt sich radial nach Innen mit einer kreisförmigen Gestalt, weil sie die flachen Oberflächen geschnitten hat und ist rechtwinklig zu den flachen Oberflächen. Die Tiefe der Rißfront ist gleich zu etwa einhalb mal der Dicke T&sub1; des innersten Rings, weil die Rißfront kreisförmig ist. Als Folge hat das Abstützelement eine Dicke, die größer ist als einhalb mal der Dicke des inneren Rings und vorzugsweise ungleich oder größer als die Dicke T&sub1; des inneren Rings ist. Das stellt sicher, daß sich der Riß nicht von der oberen Oberfläche zu der unteren Oberfläche des Abstützelements erstreckt und vermeidet einen durchgehenden Riß in diese Richtung.
Die Geometriefaktoren des inneren und des äußeren Rings (und des dritten Rings bei derartigen Konfigurationen) an den Zwischenflächen zwischen den radial benachbarten Ringen bewirkt, daß die Rißfront ein mehrdimensionales Profil einnimmt. Die Rißfront muß ihre Energie auf alle diese Richtungen verteilen, was die Rate, mit der die Rißfront wächst, verringert. Das liefert ein leichtes Inspektionskriterium an den Ringzwischenflächen und schafft einen Sicherheitsgrenzbereich, wenn bei einer Inspektion die Anwesenheit eines Risses in einem Dichtungselement übersehen wird. Wenn die Rißfront noch nicht durch die erste Zwischenfläche, beispielsweise zwischen dem äußersten Ring und dem mittleren Ring, vorangeschritten ist, so gibt es eine vorhersagbare Lebensdauer für die Struktur. Sobald die Rißfront die nächste Zwischenfläche zwischen dem zweiten Ring und dem ersten Ring erreicht, gibt es eine weitere vorhersagbare Lebensdauer für die Messerkante. Es ist unwahrscheinlich, daß der Riß bei diesen zwei Inspektionen nicht entdeckt werden wird. Es kommt zu der Entdeckung des Risses, und die Rotoranordnung kann entfernt werden und die Reparatur durchgeführt werden ohne, daß ein Risiko für ein katastrophales Versagen besteht. Das ermöglicht Inspektionen zu beabstandeten Intervallen während der zyklischen Lebensdauer der Struktur und stellt dennoch eine Sicherheit sicher, daß Risse nicht bis zum endgültigen Versagen voranschreiten.
Obwohl die Erfindung hinsichtlich detaillierter Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, sollte der Fachmann erkennen, daß verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Rotierfähiges Dichtungselement (38; 38'; 38") für eine Rotationsmaschine (10), welches sich umfangsmäßig um eine Rotationsache Ar der Maschine erstreckt, wobei das Dichtungselement eine Mehrzahl von Ringen (50, 48, 46) aufweist, die um eine sich umfangsmäßig erstreckende Ebene (P1; P1&sub1;; P1&sub2;) angeordnet sind, aufweisend:

einen inneren Ring (48; 48'; 48"), der sich umfangsmäßig um die Achse Ar und von der Oberfläche eines weiteren Bereichs des Dichtungselements in eine erste Richtung (DIR 1) nach außen erstreckt, wobei der innere Ring aufweist:

eine erste Seite (68; 68'; 68"), die sich umfangsmäßig erstreckt,

eine zweite Seite (72; 72'; 72"), die sich umfangsmäßig erstreckt und von der ersten Seite beabstandet ist,

eine erste Oberfläche (74; 74'; 74"), die in die erste Richtung (DIR 1) gerichtet ist;

einen äußeren Ring (50; 50'; 50"), der sich umfangsmäßig um die Achse A, und in die erste Richtung (DIR 1) von der ersten Oberfläche (74; 74'; 74") des inneren Rings nach außen erstreckt, wobei der äußere Ring aufweist:

eine erste Seite (76; 76'; 76"), die sich umfangsmäßig erstreckt,

eine zweite Seite (78; 78'; 78"), die sich umfangsmäßig erstreckt, eine zweite Oberfläche (82; 82'; 82"), die in die erste Richtung (DIR 1) gerichtet ist, die von der ersten Oberfläche (74; 74'; 74") um eine in der ersten Richtung (DIR 1) gemessene Höhe (H&sub3;; H&sub0;; H&sub0;) beabstandet ist, und eine benachbart zu der ersten Oberfläche (74; 74'; 74") gemessene Dicke (T&sub3;; T&sub0;; T&sub0;) zwischen der ersten Seite (76; 76'; 76") und der zweiten Seite (78; 78'; 78") hat;

wobei die erste und die zweite Seite (76; 76'; 76", 78; 78'; 78") des äußeren Rings (50; 50'; 50") je an die erste Oberfläche (74; 74'; 74") des inneren Rings mit einem Ausrundungsradius (R&sub3;; R&sub0;; R&sub0;) anschließen und sich die erste Oberfläche (74; 74'; 74") des inneren Rings von der ersten Seite (68; 68'; 68") des inneren Rings (48; 48'; 48") eine Strecke (P&sub1;; P&sub1;'; P&sub1;") zur Seite und von der zweiten Seite (72; 72'; 72") des inneren Rings (48; 48'; 48") eine Strecke (P&sub2;; P&sub2;'; P&sub2;") zur Seite erstrecken und sich über diese Strecken (P&sub1;; P&sub1;'; P&sub1;" und P&sub2;; P&sub2;'; P&sub2;") von dem äußeren Ring in eine Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung (DIR 1) nicht wegerstreckt;

dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Seite (76; 76'; 76") und die zweite Seite (78; 78'; 78") des äußeren Rings (50; 50'; 50") in der ersten Richtung (DIR 1) aufeinander zu konvergieren und daß der Ausrundungsradius (R&sub3;; R&sub0;; R&sub0;) kleiner oder gleich ein Drittel der an einem der ersten Oberfläche (74; 74'; 74") benachbarten Ort gemessenen Dicke (T&sub0;; T&sub0;'; T&sub0;") des äußeren Rings (50; 50'; 50") ist.

2. Rotierfähiges Dichtungselement nach Anspruch 1, wobei die Strecke (P&sub1;; P&sub1;'; P&sub1;") von der ersten Seite des inneren Rings und die Strecke (P&sub2;; P&sub2;'; P&sub2;") von der zweiten Seite des inneren Rings je größer oder gleich dem halben Ausrundungsradius (R&sub3;; R&sub0;; R&sub0;) ist.

3. Rotierfähiges Dichtungselement nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend ein Abstützelement, das sich umfangsmäßig um die Achse Ar erstreckt, wobei das Abstützelement eine Oberfläche aufweist;

wobei der innere Ring (48; 48') sich von der Oberfläche des Abstützelements in die erste Richtung (DIR 1) wegerstreckt;

und wobei die erste Seite (68; 68') und die zweite Seite (72; 72') des inneren Rings (48; 48') je mit einem Ausrundungsradius (R&sub2;; Ri) an die Oberfläche des Abstützelements angeschlossen sind, wobei sich die Oberfläche des Abstützelements eine Strecke (S&sub1;; S&sub1;') von dem Ausrundungsradius (Ri; R&sub2;) an der ersten Seite (68; 68') des inneren Rings (48; 48') zur Seite und an der zweiten Seite (72; 72') des inneren Rings (48; 48') eine Strecke (S&sub2;; S&sub2;') von dem Ausrundungsradius (R&sub1;; R&sub2;) zur Seite erstreckt.

4. Rotierfähiges Dichtungselement nach Anspruch 3, wobei die sich zur Seite erstreckende Strecke (S&sub1;; S&sub1;') von dem Ausrundungsradius an der ersten Seite des inneren Rings und die sich zur Seite erstreckende Strecke (S&sub2;; S&sub2;') von dem Ausrundungsradius an der zweiten Seite des inneren Rings je größer oder gleich der Hälfte des Ausrundungsradius (R&sub2;; Ri) ist und die Oberfläche des Abstützelements sich über die Strecke (S&sub1;; S&sub1;') und (S&sub2;; S&sub2;') nicht entgegengesetzt zu der ersten Richtung (DIR 1) erstreckt.

5. Rotierfähiges Dichtungselement nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Abstützelement gemessen in eine Richtung rechtwinklig zu dem Abstützelement eine Dicke Ts hat und die Dicke Ts des Abstützelements größer als die Hälfte der Dicke Ti des inneren Rings ist.

6. Rotierfähiges Dichtungselement nach Anspruch 5, wobei die Dicke des Abstützelements Ts größer oder gleich der Dicke Ti des inneren Rings ist.

7. Rotierfähiges Dichtungselement nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Verhältnis der Höhe (H&sub3;; H&sub0;; H&sub0;), um die die zweite Oberfläche (82; 82'; 82") des äußeren Rings (50; 50'; 50") von der ersten Oberfläche (74; 74'; 74") des inneren Rings (48; 48'; 48") beabstandet ist, zu der Dicke (T&sub3;; T&sub0;; T&sub0;) des äußeren Rings (50; 50'; 50") kleiner oder gleich Eineinhalb ist.

8. Rotierfähiges Dichtungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Seite (76; 76'; 76") und die zweite Seite (78; 78'; 78") des äußeren Rings (50; 50'; 50") einen Winkel zwischen sich haben, der im Bereich von sieben bis zehn Grad liegt.

9. Rotierfähiges Dichtungselement nach Anspruch 1, ferner aufweisend:

ein Abstützelement, das sich umfangsmäßig um die Achse Ar erstreckt; wobei das Abstützelement eine Oberfläche und eine in eine Richtung rechtwinklig zu dem Abstützelement gemessene Dicke (Ts) hat; und

einen weiteren Ring (46), der sich umfangsmäßig um die Achse Ar und von dem Abstützelement in die erste Richtung (DIR 1) nach außen erstreckt, wobei der weitere Ring aufweist:

eine erste Seite (62), die sich umfangsmäßig erstreckt;

eine zweite Seite (64), die sich umfangsmäßig und parallel zu der ersten Seite (62) erstreckt;

eine erste Oberfläche (66), die in die erste Richtung (DIR 1) gerichtet ist und von dem Abstützelement um eine in der ersten Richtung (DIR 1) gemessene Höhe H&sub1; beabstandet ist; und gemessen rechtwinklig zu der Umfangsrichtung eine Dicke (T&sub1;) zwischen der ersten Seite (62) und der zweiten Seite (64);

wobei sich der innere Ring (48) von der ersten Oberfläche (66) des weiteren Rings in die erste Richtung (DIR 1) nach außen erstreckt,

wobei die erste Oberfläche (74) des inneren Rings (48) von der ersten Oberfläche des weiteren Rings (46) gemessen in der ersten Richtung (DIR 1) um eine Höhe H&sub2; beabstandet ist und wobei der innere Ring (48) gemessen rechtwinklig zu der Umfangsrichtung zwischen der ersten Seite (68) des inneren Rings (48) und der zweiten Seite (72) des inneren Rings (48) eine Dicke T&sub2; hat;

wobei die erste Seite (76) und die zweite Seite (78) des äußeren Rings (50) nach außen in der ersten Richtung (DIR 1) konvergieren und zwischen den Seiten einen Winkel haben, der im Bereich von sieben bis zehn Grad liegt;

wobei die zweite Oberfläche (82) des äußeren Rings von der ersten Oberfläche (74) des inneren Rings (48) gemessen in der ersten Richtung (DIR 1) um eine Höhe H&sub3; beabstandet ist, und wobei der äußere Ring (50) zwischen der ersten Seite (76) und der zweiten Seite (78) gemessen rechtwinklig zu der Umfangsrichtung und der ersten Oberfläche (74) des inneren Rings (48) benachbart eine Dicke T&sub3; hat; und

wobei die erste Seite (62) und die zweite Seite (64) des weiteren Rings (46) je mit einem Ausrundungsradius (R&sub1;) an die Oberfläche des Abstützelements angeschlossen ist, der kleiner oder gleich ein Drittel der Dicke (T&sub1;) des weiteren Rings (46) ist, wobei sich die Oberfläche des Abstützelements um eine Strecke (D&sub1;) von dem Ausrundungsradius (R&sub1;) an der ersten Seite (62) des weiteren Rings (46) zur Seite und um eine Strecke (D&sub2;) von dem Ausrundungsradius (R&sub2;) an der zweiten Seite (64) des weiteren Rings (46) zur Seite erstreckt, wobei jede der Strecken (D&sub1;, D&sub2;) gleich oder größer als die Hälfte des Ausrundungsradius (R&sub1;) ist, und sich nicht über die Strecken D&sub1; und D&sub2; entgegengesetzt zu der ersten Richtung (DIR 1) erstreckt und wobei die Dicke des Abstützelements (Ts) größer oder gleich der Dicke (T&sub1;) des weiteren Rings (46) ist;

wobei die erste Seite (68) und die zweite Seite (72) des inneren Rings (48) je an die erste Oberfläche (66) des weiteren Rings (46) mit einem Ausrundungsradius (R&sub2;) angeschlossen sind, der kleiner als oder gleich einem Drittel der Dicke (T&sub2;) des inneren Rings (48) ist und sich die erste Oberfläche (66) des weiteren Rings (46) eine Strecke (S&sub1;) von der ersten Seite (62) des weiteren Rings (64) zur Seite und um eine Strecke (S&sub2;) von der zweiten Seite (64) des weiteren Rings zur Seite erstreckt, wobei jede der Strecken (S&sub1;, S&sub2;) größer oder gleich der Hälfte des Ausrundungsradius (R&sub2;) ist, und sich nicht über die Strecke (S&sub1;) und (S&sub2;) entgegengesetzt zu der ersten Richtung (DIR 1) weg von dem zweiten Ring erstreckt; und

wobei das Verhältnis der Höhe (H&sub3;) des äußeren Rings (50) zu der Dicke T&sub3; des äußeren Rings (50) kleiner oder gleich Eineinhalb ist (H&sub3;/T&sub3; ≤ 1,5), und wobei jede der Strecken (P&sub1;, P&sub2;), über die sich die erste Oberfläche (74) des inneren Rings erstreckt größer oder gleich dem halben Ausrundungsradius (R&sub3;) ist, der die entsprechenden Seiten (76, 78) des äußeren Rings (50) an die Oberfläche (74) des inneren Rings (48) anschließt.