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Dokumentenidentifikation DE102004025142B4 02.08.2007
Titel Dichtungsanordnung
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Beichl, Stefan, 82211 Herrsching, DE;
Prokopczuk, Patrick, 81247 München, DE
DE-Anmeldedatum 21.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004025142
Offenlegungstag 22.12.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.08.2007
IPC-Hauptklasse F01D 11/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16J 15/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F02C 7/28(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F04D 29/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F01D 11/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Gasturbine sowie eine Dampfturbine.

Gasturbinen bestehen aus mehreren Baugruppen, so z. B. aus mindestens einem Verdichter, einer Brennkammer sowie mindestens einer Turbine. Der oder jeder Verdichter sowie die oder jede Turbine verfügen über einen Rotor, der gegenüber einem feststehenden Stator rotiert. Bei dem Stator handelt es sich insbesondere um ein feststehendes Gehäuse, dem feststehende Leitschaufeln zugeordnet sind. Dem Rotor sind Laufschaufeln zugeordnet, die sich zusammen mit dem Rotor gegenüber den feststehenden Leitschaufeln sowie dem feststehenden Gehäuse drehen. Zur Optimierung des Wirkungsgrads von Gasturbinen ist es erforderlich, Leckageströmungen zwischen dem rotierenden Rotor und dem feststehenden Stator zu minimieren. Hierbei muss insbesondere ein Spalt zwischen radial innenliegenden Enden der feststehenden Leitschaufeln und dem sich drehenden Rotor abgedichtet werden. Eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung des Spalts zwischen den radial innenliegenden Enden der feststehenden Leitschaufeln und dem sich drehenden Rotor bezeichnet man auch als „inner air seal". Ein weiterer abzudichtender Spalt befindet sich zum Beispiel zwischen den radial außenliegenden Enden der rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse. Eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung des Spalts zwischen den radial außenliegenden Enden der rotierenden Laufschaufeln und dem Gehäuse bezeichnet man auch als „outer air seal".

Nach dem Stand der Technik wird eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung zum Beispiel des Spalts zwischen den radial innenliegenden Enden der feststehenden Leitschaufeln und dem Rotor dadurch gebildet, dass dem Stator – hier einem Innendeckband der feststehenden Leitschaufeln – ein Dichtungsträger mit mindestens einem dynamischen Dichtungselement zugeordnet ist. Das oder jedes dynamische Dichtungselement dient dabei der Abdichtung der Primärleckage zwischen dem Stator – also den feststehenden Leitschaufeln – und dem sich drehenden Rotor. Ebenfalls ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, das oder jedes dynamische Dichtungselement als Bürstendichtung auszubilden. Hiermit ist zwar eine gute Abdichtung gegenüber den Primärleckagen möglich, vorhandene Sekundärleckagen werden jedoch nur unzureichend abgedichtet.

Die Patentschrift US 5 746 573 A schützt eine spezielle Abdichtung gegen Sekundärleckagen im Bereich der „Inner Air Seal". Ein die primäre Abdichtung gegenüber dem Rotor mittels kamm- bzw. borstenartiger Elemente übernehmender Dichtungsträger ist an Umfangsstegen von Leitschaufelsegmenten mittels Bürstendichtungen statisch abgedichtet, wobei die Umfangsstege radial innerhalb des inneren Deckbandes angeordnet sind.

Die Patentschrift US 5 639 211 A betrifft eine Abdichtung gegen Primärleckagen im Bereich der „Inner Air Seal" mittels einer Bürstendichtung.

Das Abstract JP 10220204 A beschreibt die Abdichtung von Laufschaufelspitzen mittels einer Bürstendichtung mit keramischen Borsten.

Die Patentschrift DE 30 23 609 C2 schützt eine spezielle Abdichtung im Bereich der „Outer Air Seal", wobei ein einen Laufschaufelkranz umgebender Mantelring mittels einer zweireihigen Bürstendichtung am Turbinengehäuse elastisch zentriert und abgedichtet ist.

Das Problem der Abdichtung zwischen den Segmenten von segmentierten Bauelementen, wie Dichtungsträgern, Deckbändern, Mantelringen etc. wird im genannten Stand der Technik nicht behandelt und somit auch nicht gelöst.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Dichtungsanordnung zu schaffen, die eine vorteilhafte Abdichtung zwischen den Segmenten von segmentierten Bauteilen ermöglicht.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Dichtungsanordnung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.

Die Erfindung geht davon aus, dass der Dichtungsträger derart segmentiert ist, dass sich über den Umfang des Rotors mehrere Segmente erstrecken, die zusammen einen kreisringförmigen Dichtungsträger ergeben, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Segmenten eines kreisringförmigen Dichtungsträgers mindestens ein zweites statisches Dichtungselement angeordnet ist, welches der Abdichtung einer Sekundärleckage zwischen jeweils zwei benachbarten Segmenten des Dichtungsträgers dient.

Erfindungsgemäß ist das oder jedes zweite statische Dichtungselement als Bürstendichtung ausgebildet.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung;

2 ein Querschnitt durch die Dichtungsanordnung der 1 entlang der Schnittlinie II-II gemäß 1; und

3 eine Draufsicht auf die Dichtungsanordnung der 1 in Blickrichtung III gemäß 1.

Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 3 in größerem Detail beschrieben. Obwohl nachfolgend die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung unter Bezugnahme auf 1 bis 3 am Beispiel einer „inner air seal" zur Abdichtung eines Spalts zwischen den radial innenliegenden Enden von feststehenden Leitschaufeln und einem sich drehenden Rotor beschrieben wird, sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung generell zur Abdichtung von Spalten zwischen statischen Baugruppen und einem Rotor verwendet werden kann, also auch als „outer air seal".

1 zeigt einen stark schematisierten Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 10, wobei 2 einen Querschnitt durch die Dichtungsanordnung 10 entlang der Schnittrichtung II-II und 3 eine Draufsicht auf die Dichtungsanordnung 10 in Blickrichtung III zeigt.

Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung 10 dient im gezeigten Ausführungsbeispiel der Abdichtung eines Spalts 11 zwischen radial innenliegenden Enden feststehender Leitschaufeln und einem sich drehenden Rotor 12. Von den feststehenden Leitschaufeln ist in 1 bis 3 lediglich ein sogenanntes Innendeckband 13 gezeigt, wobei am Innendeckband 13 ein Dichtungsträger 14 angreift. Der Dichtungsträger 14 ist im Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 mit einem hammerkopfartigen Abschnitt 15 in einer Ausnehmung 16 des Innendeckbands 13 verankert. An einem dem hammerkopfartigen Abschnitt 15 gegenüberliegenden Abschnitt 17 sind in den Dichtungsträger 14 im gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt vier dynamische Dichtungselemente 18 integriert. Die dynamischen Dichtungselemente 18 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als Bürstendichtungen ausgebildet, die in jeweils einer Ausnehmung 19 innerhalb des Abschnitts 17 des Dichtungsträgers 14 angeordnet sind.

Wie 2 entnommen werden kann, sind Borsten der als Bürstendichtungen ausgebildeten dynamischen Dichtungselemente 18 über ein im Querschnitt C-förmiges Klemmprofil an einem Seelendraht fixiert, wobei freie Enden der Borsten am Rotor 12 anliegen. Die als Bürstendichtungen ausgebildeten dynamischen Dichtungselemente 18 sind über ein winkelförmiges Halteelement 20 sowie ein Klemmelement 21 in den Ausnehmungen 19 des Dichtungsträger 14 fixiert. Die als Bürstendichtungen ausgebildeten dynamischen Dichtungselemente 18 dienen der Abdichtung einer Primärleckage zwischen dem rotierenden Rotor 12 und den feststehenden Leitschaufeln.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist in den hammerkopfartigen Abschnitt 15 des Dichtungsträgers 14, über welchen derselbe in der Ausnehmung 16 des Innendeckbands 13 fixiert ist, mindestens ein erstes statisches Dichtungselement 22 integriert. Das erste statische Dichtungselement 22 ist im Ausführungsbeispiel der 2 als Bürstendichtung ausgebildet und dient der Abdichtung einer Sekundärleckage zwischen dem feststehenden Innendeckband 13 und dem ebenfalls feststehenden Dichtungsträger 14. Die statische Dichtungsanordnung 22 ist in eine Ausnehmung 23 des hammerkopfartigen Abschnitts 15 integriert.

Wie 2 entnommen werden kann, sind Borsten des als Bürstendichtung ausgebildeten, ersten statischen Dichtungselements um einen Seelendraht gewickelt und an demselben über ein C-förmiges Klemmprofil fixiert. Das als Bürstendichtung ausgebildete erste statische Dichtungselement 22 ist in der Ausnehmung 23 über ein winkelförmiges Halteelement 20 sowie ein Klemmelement 21 fixiert. Die Borsten der Bürstendichtung ragen aus der Ausnehmung heraus und liegen auf einer Innenkontur der Ausnehmung 16 des Innendeckbands 13 an.

Der Dichtungsträger 13 der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ist üblicherweise nicht als geschlossener Ring ausgebildet, sondern vielmehr aus mindestens zwei Segmenten 23 und 24 zusammengesetzt. 1 und 2 zeigen eine Trennfuge zwischen zwei benachbarten Segmenten 23 und 24 des Dichtungsträgers 14. Die Trennfuge ist in 3 mit der Bezugsziffer 25 gekennzeichnet.

Um nun auch eine Abdichtung der Dichtungsanordnung im Hinblick auf die Sekundärleckage zwischen zwei benachbarten Segmenten 23 und 24 des Dichtungsträgers 14 zu gewährleisten, ist in mindestens eines der Segmente 23 des Dichtungsträgers 14 ein zweites statisches Dichtungselement 26 integriert. Dieses ist im Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 wiederum als Bürstendichtung ausgebildet und in einer Ausnehmung 27 des Segments 23 positioniert. Die Fixierung des zweiten statischen Dichtungselements 26 in der Ausnehmung 27 des Segments 23 erfolgt auf die bereits beschriebene Art und Weise über das winkelförmige Halteelement 20 und das Klemmelement 21. Die Borsten des als Bürstendichtung ausgebildeten zweiten statischen Dichtungselements 26 ragen aus der Ausnehmung 27 des Segments 23 heraus und liegen am benachbarten Segment 24 an. Auf diese Art und Weise kann demnach auch die Trennfuge 25 zwischen zwei benachbarten Segmenten 23 und 24 des Dichtungsträgers 14 hinsichtlich einer Sekundärleckage abgedichtet werden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass nicht lediglich der Dichtungsträger 15 segmentiert ausgeführt ist, sondern vorzugsweise auch das Innendeckband 13, so dass auch zwischen zwei benachbarten Segmenten des Innendeckbands 13 zur Abdichtung der Sekundärleckage ein weiteres statisches Dichtungselement angeordnet sein kann. Dieses weitere statische Dichtungselement würde dann der Abdichtung der Sekundärleckage zwischen jeweils zwei benachbarten Segmenten des Innendeckbands 13 dienen und ebenso wie das erste statische Dichtungselement 22 sowie das zweite statische Dichtungselement 26 als Bürstendichtung ausgebildet sein.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach vorgeschlagen, eine dynamische Dichtungsanordnung, die im gezeigten Ausführungsbeispiel der Abdichtung des Spalts 11 zwischen den radial innenliegenden Enden feststehender Leitschaufeln und dem Rotor 12 dient, dadurch gegenüber Sekundärleckagen abzudichten, das einerseits zwischen dem feststehenden Dichtungsträger 14 und dem feststehenden Innendeckband 13 und andererseits zwischen benachbarten Segmenten 23 und 24 des feststehenden Dichtungsträgers 14 statische Dichtungselemente angeordnet sind. Die dynamischen Dichtungselemente sowie die statischen Dichtungselemente sind dabei vorzugsweise als Bürstendichtungen ausgeführt. Mit einer solchen, erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung können Sekundärleckagen deutlich reduziert werden. Die Dichtungsanordnung stellt ein kompaktes und sehr gut dichtendes Dichtsystem zur Verfügung.

Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung eignet sich insbesondere zur Verwendung in Turbomaschinen, insbesondere in Gasturbinen wie z. B. Flugtriebwerken oder auch in Dampfturbinen. So kann die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung als „inner air seal" oder auch „outer air seal" im Verdichterbereich oder auch Turbinenbereich eines Flugtriebwerks zum Einsatz kommen.

Wie bereits ausgeführt, wurde unter Bezugnahme auf 1 bis 3 die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung am Beispiel einer „inner air seal" zur Abdichtung eines Spalts zwischen den radial innenliegenden Enden von feststehenden Leitschaufeln und einem sich drehenden Rotor beschrieben. In dem Fall, in welchem die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung als „outer air seal" verwendet wird, ist der Dichtungsträger mit den dynamischen Dichtungselementen einem feststehenden Gehäuse zugeordnet, wobei die dynamischen Dichtungselemente der Abdichtung einer Primärleckage zwischen dem Gehäuse und radial außenliegenden Enden von rotierenden Laufschaufeln dienen. Zwischen dem Dichtungsträger und dem Gehäuse ist dann mindestens ein erstes statisches Dichtungselement angeordnet, wobei das oder jedes erste statische Dichtungselement der Abdichtung einer Sekundärleckage zwischen dem Gehäuse und dem ebenfalls feststehenden Dichtungsträger dient. Hinsichtlich weiterer Details kann auf die obigen Ausführungen verwiesen werden.

Auch ist die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung zur Verwendung in einer Dampfturbine im Bereich von Ausgleichskolben und Stopfbuchse geeignet.

10
Dichtungsanordnung
11
Spalt
12
Rotor
13
Innendeckband
14
Dichtungsträger
15
Abschnitt
16
Ausnehmung
17
Abschnitt
18
dynamisches Dichtungselement
19
Ausnehmung
20
Halteelement
21
Klemmelement
22
erstes statisches Dichtungselement
23
Segment
24
Segment
25
Trennfuge
26
zweites statisches Dichtungselement
27
Ausnehmung


Anspruch[de]
Dichtungsanordnung für eine Turbomaschine zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem Rotor und einem Stator, wobei dem Stator ein Dichtungsträger (14) mit mindestens einem dynamischen Dichtungselement (18) zugeordnet ist, welches der Abdichtung einer Primärleckage zwischen dem Stator und dem Rotor dient und bevorzugt als Bürstendichtung ausgebildet ist, wobei zwischen dem Dichtungsträger (14) und dem Stator mindestens ein erstes statisches Dichtungselement (22) angeordnet ist, welches der Abdichtung einer Sekundärleckage zwischen dem Stator und dem ebenfalls feststehenden Dichtungsträger (14) dient und bevorzugt als Bürstendichtung ausgebildet ist, wobei der Dichtungsträger (14) derart segmentiert ist, dass sich über den Umfang des Rotors (12) mehrere Segmente (23, 24) erstrecken, die zusammen einen kreisringförmigen Dichtungsträger (14) ergeben, und wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Segmenten (23, 24) mindestens ein zweites statisches Dichtungselement (26) angeordnet ist, welches der Abdichtung einer Sekundärleckage zwischen jeweils zwei benachbarten Segmenten (23, 24) des Dichtungsträgers (14) dient, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes zweite statische Dichtungselement (26) als Bürstendichtung ausgebildet ist. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, bei welcher der Stator derart segmentiert ist, dass sich über den Umfang des Rotors (12) mehrere Segmente erstrecken, die zusammen einen kreisringförmigen Stator ergeben, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Segmenten des Stators mindestens ein weiteres statisches Dichtungselement angeordnet ist, welches der Abdichtung einer Sekundärleckage zwischen jeweils zwei benachbarten Segmenten des Stators dient, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes weitere statische Dichtungselement als Bürstendichtung ausgebildet ist. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe der Abdichtung eines Spalts (11) zwischen den radial innenliegenden Enden von feststehenden Leitschaufeln und einem Rotor (12) dient, wobei einem den ggf. segmentierten Stator bildenden Innendeckband (13) der feststehenden Leitschaufeln der segmentierte Dichtungsträger (14) zugeordnet ist Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe der Abdichtung eines Spalts zwischen den radial außenliegenden Enden von rotierenden Laufschaufeln und einem feststehenden Gehäuse dient, wobei dem den ggf. segmentierten Stator bildenden Gehäuse der segmentierte Dichtungsträger zugeordnet ist. Gasturbine, insbesondere Flugtriebwerk, mit mindestens einer Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. Dampfturbine mit mindestens einer Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.






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