WO2008155163A1 - Adaptive labyrinthdichtung - Google Patents

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WO2008155163A1
WO2008155163A1 PCT/EP2008/055213 EP2008055213W WO2008155163A1 WO 2008155163 A1 WO2008155163 A1 WO 2008155163A1 EP 2008055213 W EP2008055213 W EP 2008055213W WO 2008155163 A1 WO2008155163 A1 WO 2008155163A1
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spring
housing
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Richard Geist
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/001—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between stator blade and rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F01D11/025—Seal clearance control; Floating assembly; Adaptation means to differential thermal dilatations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/16—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines

Definitions

  • the present invention relates to a turbine, in particular a steam turbine, with a housing, with a rotatably mounted in the housing about a Lauferachse Laufer having a extending in memoris ⁇ chtung, T-shaped groove, and having at least one seal between the housing and Laufer, said the seal comprises a spring sealing strip accommodated in the groove of the rotor, which is radially elastically biased in the direction of the rotor axis and whose distance from the rotor axis increases with increasing speed.
  • a turbine is known from German Offenlegungssch ⁇ ft DE 28 16 084 Al.
  • Turbomachinery must be sealed at locations of varying pressure to minimize the leakage resulting in efficiency losses. In most cases, contactless labyrinth seals are used. With regard to the thermal expansion, the centrifugal force expansion, the swinging of the rotor in the radial positions and when passing through critical speeds, the radial sealing clearance of the labyrinth seal must not be too small. A too small selected sealing gap inevitably leads to rubbing and thus damage to the labyrinth peaks and at worst to the curvature of the Laufers.
  • resilient sealing segments are known, which, when rubbed in the runner, can avoid larger damage.
  • FIG. 1 shows a known labyrinth seal which seals a rotating shaft 1 with respect to a stationary housing 2.
  • Shaft fixed are arranged a plurality of radially extending sealing strips 3, which are connected to the housing. 2 each establish a sealing gap 4.
  • the width of the sealing gap 4 is constant.
  • FIG. 2 shows how the rubbing of the sealing strip 3 on the housing 2 by means of resiliently mounted sealing segments 5 can be avoided.
  • two a plurality of T-shaped grooves 6 are provided in the housing, which extend in the circumferential direction around the shaft 1 around.
  • the sealing segments 5 have a T-shaped anchor portion 7, with which they are held in the groove 6.
  • Springs 8 bias the sealing segments 5 radially in the direction of the shaft. With an axial offset of the shaft 1, the sealing segments 5 deviate against the biasing force of the springs 8, so that there is no major damage to the seal at a sealing gap 4 of zero.
  • the aforementioned DE 28 16 084 discloses a designed as a jet engine turbine with an adaptive labyrinth seal between Laufer and housing.
  • Under an adaptive labyrinth seal is a contactless seal to understand the sealing gap is speed-dependent.
  • the Laufer is provided with a T-shaped groove in which a spring sealing tape is added.
  • the spring sealing tape is radially elastically biased downstream, so that it expands radially with increasing speed, whereby its distance from the rotor axis increases.
  • the spring sealing tape comprises a sealing strip which projects radially out of the groove of the rotor and into a corresponding groove of the housing.
  • the linienformige periphery of the sealing strips established with the flat groove bottom of Gehausesenut a sealing gap, which becomes narrower with increasing speed.
  • the present invention has the object, so on a turbine with adaptive labyrinth seal - so mitfitiereva ⁇ ablem sealing gap - to form so that the assembly of the spring sealing band facilitates and the material freedom is increased.
  • a basic idea of the present invention is thus to separate the sealing strip from the spring sealing strip and to arrange it in a stable manner, so that the sealing gap is formed between the sealing strip and the spring sealing strip. Since the sealing strip is now unmoved, its rigidity does not affect the stretching behavior of the feather seal tape. Thus, a comparatively stiff sealing strip can be combined with an elastic spring sealing strip made of a soft material. The assembly of the soft feather sealing tape is much easier.
  • the feather seal tape consists of a flat strip having at its edges a plurality of protruding from the plane of the strip spring tabs.
  • FIG. 1 shows a labyrinth seal (prior art);
  • Fig. 2 labyrinth seal with spring held
  • Fig. 3 erfmdungsge awkwardes feather seal tape, in perspective;
  • Fig. 4 sealing points of the erfmdungsgeschreiben turbine in
  • Em erfmdungsgelautes feather seal tape 9 shows Figure 3. It is a flat, strip-shaped strip of metal or an elastomer, which is provided in its edge regions with a plurality of spring tabs 10.
  • the spring tabs are formed by the fact that the flat strip is first cut transversely from the edge and then longitudinally. The spring clip 10 enclosed by the two cuts is then bent out of the plane of the strip so that a transverse Mate ⁇ ally implemented spring joint 11 is created opposite the transverse cut.
  • FIG. 4 shows a turbine according to the invention with a housing 2 and a rotor 1 rotatably mounted in the housing 2.
  • a plurality of rotor blades 12 are fastened to the rotor.
  • attached to the housing 2 are a plurality of stationary vanes 13; the blades 12 are to be sealed to the housing 2 and the vanes 13 to Laufer hm.
  • the labyrinth seals used for this purpose each comprise a T-shaped groove 6, which is arranged in the barrel and which extends around the barrel 1 in the circumferential direction.
  • the Leitschaufelabdichtung it runs in the Lauferwelle itself, in the case of
  • the spring tabs 10 print the spring sealing tape 9 radially in the direction of the Lauferachse.
  • the spring sealing strip 9 comprises mounted a radially outwardly facing, inmons ⁇ chtung extending sealing surface 15 which is accessible from the outside in each case by the grooves 6.
  • the sealing surface 15 thus extends between the undercuts 14.
  • Gehausefest is arranged per spring sealing strip 9 with its sealing surface 15 corresponding sealing strip 3, which projects radially into the groove 6 of the rotor 1 and established with the sealing surface 15 a sealing gap.
  • the sealing strips 3 correspond to those of conventional labyrinth seals as shown in FIG. 1.
  • the spring sealing tape presented here can be used in all labyrinth seals such as balancing pistons, the shrouds of the rotor blades and under the guide vanes.
  • the feather sealing tape 9 is pushed by a not shown Einfullo réelle m T-shaped groove 6.
  • the lateral spring tabs 10 on the left and on the right cause the spring sealing strip 9 to be held at the bottom groove bottom when the turbine is at a standstill. In this state, the radial sealing gap reaches its greatest value. Em rubbing when cooling down in slewing gear operation is thereby prevented.
  • the Laufer 1 floats in the oil film of the radial bearing and after passing through the critical speeds with higher vibrations of the Laufer 1 reaches its stable centric position to the housing before operating speed 2. Also before reaching the rated speed, the centrifugal force on the Spring sealing strip 9 so large that the lateral spring tabs 10 are bent away and the tape comes to rest on the undercuts 14 of the T-groove 6. The sealing gap has now reached its predetermined minimum value, whereby the seal is closed.
  • the inventive turbine realized smaller sealing gaps, whereby the efficiency is improved.
  • the danger of grazing in critical BetbeebsSearchen such. B. when starting and stopping or m critical speed ranges is minimized.
  • the assembly of the spring sealing strip 9 is facilitated.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einem Gehäuse (2), mit einem im Gehäuse um eine Läuferachse rotierbar gelagertem Läufer (1), welcher eine sich in Umfangsrichtung erstreckende, T-förmige Nut (6) aufweist, und mit mindestens einer Dichtung zwischen Gehäuse (2) und Läufer (1), wobei die Dichtung ein in der Nut (6) des Läufers aufgenommenes Federdichtband (9) umfasst, welches in Richtung der Läuferachse radial elastisch vorgespannt ist und dessen Abstand zur Läuferachse mit steigender Drehzahl zunimmt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Turbine so weiter zu bilden, dass sich das Federdichtband einfacher montieren lässt und die Werkstoffwahl erleichtert wird. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Verwendung eines Federdichtbandes (9), welches eine nach außen gewandte, sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtfläche (15) aufweist und dadurch, dass die Dichtung mindestens einen gehäusefesten Dichtstreifen (3) umfasst, der radial in die Nut (6) des Läufers (1) hineinragt und mit der Dichtfläche (15) des Federdichtbandes (9) einen Dichtspalt etabliert.

Description

Beschreibung
Adaptive Labyrinthdichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einem Gehäuse, mit einem im Gehäuse um eine Lauferachse rotierbar gelagertem Laufer, welcher eine sich in Umfangsπchtung erstreckende, T-formige Nut aufweist, und mit mindestens einer Dichtung zwischen Gehäuse und Laufer, wobei die Dichtung ein in der Nut des Laufers aufgenommenes Federdichtband umfasst, welches in Richtung der Lauferachse radial elastisch vorgespannt ist und dessen Abstand zur Lauferachse mit steigender Drehzahl zunimmt. Eine derartige Turbine ist bekannt aus der deutschen Offenlegungsschπft DE 28 16 084 Al.
Turbomaschinen müssen an Stellen unterschiedlichen Drucks abgedichtet werden, damit die zur Wirkungsgradverlusten fuhrenden Leckagen möglichst gering bleiben. In den meisten Fallen werden dazu beruhrungslose Labyrinthdichtungen verwendet. Dabei darf mit Rucksicht auf die Wärmedehnung, die Fliehkraftdehnung, dem Aufschwingen des Rotors in den Radiallagen und beim Durchfahren von kritischen Drehzahlen das radiale Dichtspiel der Labyrinthdichtung nicht zu klein werden. Ein zu klein gewählter Dichtspalt fuhrt unweigerlich zum Anstreifen und damit zur Beschädigung der Labyrinthspitzen und schlimmstenfalls zur Verkrümmung des Laufers .
Aus dem Stand der Technik sind federnde Dichtsegmente bekannt, die bei einem Anstreifen im Laufer ausweichen und so größere Beschädigungen vermeiden können.
So zeigt Figur 1 eine bekannte Labyrinthdichtung, die eine rotierende Welle 1 gegenüber einem stehenden Gehäuse 2 abdichtet. Wellenfest angeordnet sind eine Mehrzahl von sich radial erstreckenden Dichtstreifen 3, die mit dem Gehäuse 2 jeweils einen Dichtspalt 4 etablieren. Die Breite des Dichtspaltes 4 ist konstant.
Figur 2 zeigt, wie das Anstreifen der Dichtstreifen 3 an dem Gehäuse 2 mit Hilfe von federnd gelagerten Dichtsegmenten 5 vermieden werden kann. Hierfür sind in dem Gehäuse zwei eine Mehrzahl von T-formigen Nuten 6 vorgesehen, die sich in Umfangsrichtung um die Welle 1 herum erstrecken. Die Dichtsegmente 5 weisen einen T-formigen Ankerabschnitt 7 auf, mit denen sie in der Nut 6 gehalten werden. Federn 8 spannen die Dichtsegmente 5 radial in Richtung der Welle vor. Bei einem axialen Versatz der Welle 1 weichen die Dichtsegmente 5 entgegen der Vorspannkraft der Federn 8 aus, so dass es bei einem Dichtspalt 4 von Null zu keiner größeren Beschädigung der Dichtung kommt.
Die eingangs genannte DE 28 16 084 offenbart eine als Strahltriebwerk ausgeführte Turbine mit einer adaptiven Labyrinthdichtung zwischen Laufer und Gehäuse. Unter einer adaptiven Labyrinthdichtung ist eine beruhrungslose Dichtung zu verstehen, deren Dichtspalt drehzahlabhangig ist. Hierzu ist der Laufer mit einer T-formigen Nut versehen, in welchem ein Federdichtband aufgenommen ist. Das Federdichtband ist lauferwarts radial elastisch vorgespannt, so dass es sich bei steigender Drehzahl radial ausdehnt, wodurch sein Abstand zur Lauferachse zunimmt. Das Federdichtband umfasst eine Dichtstreifen, die radial aus der Nut des Laufers heraus und in eine korrespondierende Nut des Gehäuses hineinragt. Die linienformige Peripherie der Dichtstreifen etabliert mit dem flächigen Nutgrund der Gehausenut einen Dichtspalt, der mit zunehmender Drehzahl enger wird.
Nachteilig bei dieser Dichtung ist ihre große axiale Baulange und die Montage des Federdichtbandes. Da dieses ebenfalls einen T-formigen Querschnitt aufweist, erreicht das
Federdichtband quer zu seiner Langserstreckung ein achtbares Flachentragheitsmoment . Dies bedeutet, dass das T-formige Dichtband in der Praxis nur unter erheblichen Anstrengungen in die Nut des Laufers eingeführt werden kann, da sich das Flachentragheitsmoment einem Verbiegen um die Drehachse herum widersetzt. Auch ist das eingesetzte Federdichtband in Radialπchtung aufgrund seiner T-Form sehr steif, so dass es sich unter Fliehkräften nur unter Verwendung sehr weicher
Werkstoffe dehnt. Die Werkstoffwähl des Federdichtbands wird dadurch eingeschränkt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbine mit adaptiver Labyrinthdichtung - also mitdrehzahlvaπablem Dichtspalt - so weiter zu bilden, dass die Montage des Federdichtbandes erleichtert und die Werkstofffreiheit erhöht wird.
Gelost wird diese Aufgabe erfmdungsgemaß durch die Verwendung eines Federdichtbandes, welches eine nach außen gewandte, sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtflache aufweist und durch die gehausefeste Anordnung eines Dichtstreifens, der radial in die Nut des Laufers hineinragt und mit der Dichtflache des Federdichtbandes den drehzahlvaπablen Dichtspalt etabliert.
Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, den Dichtstreifen von dem Federdichtband zu trennen und gehausefest anzuordnen, so dass der Dichtspalt zwischen dem Dichtstreifen und dem Federdichtband gebildet wird. Da der Dichtstreifen nunmehr unbewegt ist, beeinflusst seine Steifigkeit nicht das Dehnverhalten des Federdichtbandes. Somit kann ein vergleichsweise steifer Dichtstreifen mit einem elastischen Federdichtband aus einem weichen Werkstoff kombiniert werden. Die Montage des weichen Federdichtbandes ist deutlich einfacher.
Vorzugsweise besteht das Federdichtband aus einem flachen Streifen, der an seinen Randern eine Mehrzahl von aus der Ebene des Streifens hervorstehenden Federlaschen aufweist.
Diese werden dadurch gebildet, dass der Streifen vom Rand her quer und anschließend längs eingeschnitten wird. Auf diese Weise erhalt man ein äußerst leicht zu montierendes und vor allen Dingen preiswert herzustellendes Federdichtband. Das Flachentragheitsmoment in Biegerichtung ist klein.
Die vorliegende Erfindung soll nun anhand eines Ausfuhrungsbeispiels naher erläutert werden. Hierfür zeigen: Fig. 1: Labyrinthdichtung (Stand der Technik); Fig. 2: Labyrinthdichtung mit federnd gehaltenen
Dichtsegmenten (Stand der Technik);
Fig. 3: erfmdungsgemaßes Federdichtband, perspektivisch; Fig. 4: Dichtstellen der erfmdungsgemaßen Turbine im
Längsschnitt .
Die den Stand der Technik zeigenden Figuren 1 und 2 wurden bereits oben erläutert.
Em erfmdungsgemaßes Federdichtband 9 zeigt Figur 3. Dabei handelt es sich um einen flachen, bandförmigen Streifen aus Metall oder einem Elastomeren, der in seinen Randbereichen mit einer Vielzahl von Federlaschen 10 versehen ist. Die Federlaschen werden dadurch gebildet, dass der flache Streifen zunächst vom Rand her quer und anschließend längs eingeschnitten wird. Die durch die beiden Schnitte umschlossene Federlasche 10 wird anschließend aus der Ebene des Streifens heraus gebogen, so dass gegenüberliegend dem quer verlaufenden Einschnitt ein quer verlaufendes, Mateπal- implementiertes Federgelenk 11 entsteht.
Figur 4 zeigte eine erfmdungsgemaße Turbine mit einem Gehäuse 2 und einem im Gehäuse 2 rotierbar gelagertem Laufer 1. Am Laufer befestigt sind eine Mehrzahl von Laufschaufeln 12; am Gehäuse 2 befestigt sind eine Mehrzahl von feststehenden Leitschaufeln 13; die Laufschaufeln 12 sind zum Gehäuse 2 bzw. die Leitschaufeln 13 zum Laufer hm abzudichten. Die hierzu eingesetzten Labyrinth-Dichtungen umfassen je eine im Laufer angeordnete, T-formige Nut 6, welche sich in Umfangsπchtung um den Laufer 1 herum erstreckt. Im Falle der Leitschaufelabdichtung verlauft sie in der Lauferwelle selbst, im Falle der
LaufSchaufelabdichtung in der Laufschaufei 12. In die T- formigen Nuten 6 eingezogen ist das in Fig. 3 gezeigte Federdichtband 9. Die Federlaschen 10 weisen dabei radial nach außen, so dass sie das Federdichtband 9 radial elastisch in Richtung der Drehachse des Laufers 1 vorspannen. Die Federlaschen 10 stutzen sich dabei gegen gehauseseitige
Hinterschneidungen 14 der Nuten ab. Bei stehendem Laufer 1 drucken die Federlaschen 10 das Federdichtband 9 radial in Richtung der Lauferachse.
Das Federdichtband 9 umfasst montiert eine radial nach außen gewandte, sich in Umfangsπchtung erstreckende Dichtflache 15, die von außen jeweils durch die Nuten 6 zugänglich ist. Die Dichtflache 15 erstreckt sich somit zwischen den Hinterschneidungen 14. Gehausefest angeordnet ist je Federdichtband 9 ein mit dessen Dichtflache 15 korrespondierender Dichtstreifen 3, der radial in die Nut 6 des Laufers 1 hineinragt und mit der Dichtflache 15 einen Dichtspalt etabliert. Die Dichtstreifen 3 entsprechen denen herkömmlicher Labyrinthdichtungen wie aus Figur 1.
Das hier vorgestellte Federdichtband kann in allen Labyrinthdichtungen wie Ausgleichskolben, den Deckbandern der Laufschaufeln, sowie unter den Leitschaufeln eingesetzt werden. Das Federdichtband 9 wird durch eine nicht dargestellte Einfulloffnung m die T-formige Nut 6 geschoben. Die seitlichen Federlaschen 10 links und rechts bewirken, dass das Federdichtband 9 im Stillstand der Turbine am unteren Nutgrund gehalten wird. In diesem Zustand erreicht der radiale Dichtspalt seinen größten Wert. Em Anstreifen bei Abkühlung im Drehwerksbetrieb wird dadurch verhindert. Wahrend des Hochlaufens der Maschine schwimmt der Laufer 1 im Ölfilm des Radiallagers auf und nach dem Durchfahren der kritischen Drehzahlen mit höheren Schwingungen erreicht der Laufer 1 vor der Betriebsdrehzahl seine stabile zentrische Lage zum Gehäuse 2. Ebenfalls vor dem Erreichen der Nenndrehzahl ist die Fliehkraft auf das Federdichtband 9 so groß, dass die seitlichen Federlaschen 10 weggebogen werden und das Band an den Hinterschneidungen 14 der T-Nut 6 zum Anliegen kommt. Der Dichtspalt hat nun seinen vorher bestimmten Minimalwert erreicht, womit die Dichtung geschlossen ist.
Insgesamt realisiert die erfindungsgemaße Turbine kleinere Dichtspalte, wodurch der Wirkungsgrad verbessert wird. Die Gefahr des Anstreifens in kritischen Betπebszustanden wie z. B. beim An- und Abfahren oder m kritischen Drehzahlbereichen wird minimiert. Darüber hinaus wird die Montage des Federdichtbandes 9 erleichtert.

Claims

Patentansprüche
1. Turbine, insbesondere Dampfturbine, mit einem Gehäuse (2), mit einem im Gehäuse um eine Lauferachse rotierbar gelagertem Laufer (1), welcher eine sich in Umfangsπchtung erstreckende, T-formige Nut (6) aufweist, und mit mindestens einer Dichtung zwischen Gehäuse (2) und Laufer (1), wobei die Dichtung ein in der Nut (6) des Laufers (1) aufgenommenes Federdichtband (9) umfasst, welches m Richtung der Lauferachse radial elastisch vorgespannt ist und dessen Abstand zur Lauferachse mit steigender Drehzahl zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Federdichtband (9) eine nach außen gewandte, sich in Umfangsπchtung erstreckende Dichtflache (15) aufweist, und dass die Dichtung mindestens einen gehausefesten
Dichtstreifen (3) umfasst, der radial in die Nut (6) des Laufers (1) hineinragt und mit der Dichtflache (15) des Federdichtbandes (9) einen Dichtspalt etabliert.
2. Turbine nach Anspruch 1, , dadurch gekennzeichnet, dass das Federdichtband (9) von einem flachen Streifen gebildet wird, der an seinen Randern eine Mehrzahl von aus Ebene des Streifens hervorstehenden Federlaschen (10) aufweist, die dadurch gebildet sind, dass der Streifen vom Rand her quer und anschließend längs eingeschnitten ist.
3. Federdichtband (9) für eine Turbine nach Anspruch 2.
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