DE19619722A1 - Dichtungsanordnung und Turbinenschaufel, insbesondere für eine Dampfturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines ersten Bereichs von einem zweiten Bereich, die jeweils mit einem Fluid durchströmbar und auf einem unterschiedlichen Druck haltbar sind. Die Dichtungsanordnung weist eine um eine Hauptachse drehbare Komponente und eine feststehende Kompo­ nente auf, die durch einen radialen Spalt voneinander beab­ standeten sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Turbi­ nenschaufel, insbesondere in einer Dampfturbine.

In der EP 0 611 905 A1 ist eine Vorrichtung zum berührungs­ freien Abdichten zwischen Räumen unterschiedlichen Druckes, insbesondere für eine Strömungsmaschine, bei der Wellendurch­ tritte zwischen Räumen unterschiedlichen Druckes mit geeigne­ ten Dichtungen versehen werden müssen, beschrieben. Die ange­ gebene Vorrichtung besteht aus einer Labyrinthdichtung, bei der stufenförmige Labyrinthspalte zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Teil gebildet sind. In den Labyrinth­ spalten sind jeweils an dem rotierenden und dem feststehenden Teil Dichtungsspitzen angeordnet, wodurch ein hoher Grad der Verwirbelung eines durchströmenden Mediums erreicht werden soll. Die Dichtungsspitzen zwischen feststehendem Teil und rotierendem Teil sind möglichst nahe aneinander angeordnet, so daß nur ein geringer axialer Spalt vorhanden ist. Die Dichtungsspitzen sind radial so gestreckt, daß sich Dich­ tungsspitzen zweier benachbarter Stufen überlappen. Eine Gruppe von Dichtungsspitzen kann mit Hilfe eines Stemmdrahtes in eine entsprechende Nut eingestemmt sein.

In dem Artikel "Maßnahmen zur Modernisierung und Lebensdauer­ verlängerung an Dampfturbinenkomponenten" von D. Bergmann, M. Jansen und H. Oeynhausen in VGB Kraftwerkstechnik 71, 1991, Heft 2, Seiten 116 bis 122, sind verschiedene Dichtungen für eine Turbinenschaufel einer Dampfturbine angegeben. Das Bild 13 des Artikels zeigt die relativen Leckdampfströme zwischen einer Leitschaufel und einem Turbinenläufer. Hierbei sind in einigen Ausführungsformen Vertiefungen in der Leitschaufel eingebracht. Die geringsten relativen Leckdampfstromraten werden für sogenannte Spitze-Spitze-Dichtungen erzielt, bei denen in axialer Richtung alternierend Dichtspitzen an dem Turbinenläufer und der Leitschaufel angeordnet sind. Durch eine Verbesserung der Spaltabdichtung zwischen Turbinenläufer und Leitschaufel lassen sich die Wirkungsgradverluste einer Dampfturbinenanlage verringern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dichtungsanordnung, eine Turbinenschaufel sowie eine Dampfturbine zur Erzielung einer verminderten Leckfluidrate zwischen einem rotierenden und ei­ nem feststehenden Teil, welche zwei Bereiche unterschiedli­ chen Druckes eines Fluides abtrennen, anzugeben.

Die auf eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines ersten Bereiches von einem zweiten Bereich, welche Bereiche jeweils mit einem Fluid durchströmbar und auf einem unterschiedlichen haltbar sind, gerichtete Aufgabe, wird durch eine Dichtungs­ anordnung gelöst, die eine um eine Hauptachse drehbare Kompo­ nente und eine feststehende Komponente hat, welche durch ei­ nen radialen Spalt voneinander beabstandet sind, wobei eine der Komponenten einen in Umfangsrichtung verlaufende Vertie­ fung mit einer axialen Ausnehmung aufweist.

Durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Vertiefung, insbe­ sondere eine Ringnut, die zu dem Spalt hin geöffnet ist, fin­ det bei einer Durchströmung des Spaltes durch ein Fluid, eine Verwirbelung und damit ein erhöhter Strömungswiderstand in dem Spalt statt. Diese Verwirbelung und/oder Umlenkung des Fluides wird durch eine Ausnehmung in der Vertiefung, die vorzugsweise ebenfalls ringförmig ist, weiter erhöht. Die Ausnehmung ist vorzugsweise in axialer Richtung vertieft und ist an der stromabseitigen Wandpartie der Vertiefung einge­ bracht. Eine solche Ausnehmung läßt sich einfach durch Dre­ hen, Fräsen oder ähnliche mechanische Bearbeitungsverfahren auch computergesteuert herstellen. Die Vertiefung hat in Umfangsrichtung vorzugsweise einen geometrisch einfachen Querschnitt, insbesondere rechteckig, elliptisch, kreisför­ mig. Die Vertiefung ist somit ebenfalls einfach, beispiels­ weise durch Drehen, herzustellen. Die Ausnehmung bildet vor­ zugsweise eine Hinterdrehung der Vertiefung mit ebenfalls einfacher Geometrie.

Vorzugsweise ist die Vertiefung in die drehbare Komponente, wie eine Turbinenschaufel oder ein Rotor einer Turbine, ein­ gebracht. Dies hat den Vorteil, daß an der feststehenden Komponente ein in Umfangsrichtung verlaufendes Dichtelement, insbesondere eine Dichtspitze oder ein Dichtband, einfach an­ geordnet werden kann. Ein solches Dichtelement, welches eine geringe Wandstärke aufweist, ist somit keinen erhöhten mecha­ nischen Belastungen infolge von Fliehkräften ausgesetzt, wie es bei dem rotierenden Teil der Fall wäre.

Die Dichtungsanordnung weist vorzugsweise zwei Vertiefungen auf, die insbesondere in axialer Richtung dicht beieinander angeordnet sind. Hierdurch wird eine erhöhte Verwirbelung in dem Spalt erreicht, was zu einer zusätzlichen Erhöhung des Strömungswiderstandes führt. Mit einer Erhöhung des Strö­ mungswiderstandes sinkt die Menge an Fluid, die durch den Spalt hindurchströmt, womit ein Leckfluidstrom durch den Spalt deutlich vermindert ist.

Die Dichtungsanordnung weist vorzugsweise zumindest an der Komponente, die keine Vertiefung aufweist, ein den Spalt ver­ engendes Dichtelement auf. Hierdurch wird zum einen der Strö­ mungsquerschnitt des Spaltes verringert und zum anderen be­ reits zumindest teilweise eine Verwirbelung der Strömung in dem Spalt erreicht. Zumindest ein Dichtelement ragt berüh­ rungsfrei in die Vertiefung hinein. Hierdurch ist zumindest an einer Stelle eine Umlenkung der gesamten Fluidströmung in dem Spalt erreicht. Man erhält somit eine Labyrinthdichtung, durch die eine direkte ungehinderte Durchströmung des Spaltes vermieden ist. Durch die stromab des in die Vertiefung hin­ einragenden Dichtelementes angeordnete axiale Ausnehmung wird das zwischen diesem Dichtelement und dem Boden der Vertiefung hindurchströmende Fluid noch einmal umgelenkt und zwar vor­ zugsweise um 180°. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung des Strömungswiderstandes.

Der Querschnitt der axialen Ausnehmung in Umfangsrichtung be­ trachtet, ist vorzugsweise rechteckig oder gerundet, insbe­ sondere halbkreisförmig. Hierdurch ist ein für eine nochmali­ ge Umlenkung des Fluides geometrisch erforderlicher Raumbe­ reich zur Verfügung gestellt.

Selbstverständlich ist es möglich, sowohl an der feststehen­ den Komponente als auch an der rotierenden Komponente der Dichtungsanordnung eines oder mehrere Dichtelemente, die in axialer Richtung, d. h. in Strömungsrichtung, alternierend an­ geordnet sind, vorzusehen. Ein solches Dichtelement ist ein­ fach, wie beispielsweise in der EP 0 611 905 A1 oder dem oben zitierten Artikel angegeben, herstellbar.

Die auf eine Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird durch eine solche gelöst, die entlang einer Längsachse gerichtet ist, einen Schaufelfußbereich und einen sich daran in Längs­ achse anschließenden Profilbereich aufweist, wobei an dem dem Schaufelfußbereich gegenüberliegenden Ende zumindest eine Vertiefung mit einer im wesentlichen normal zur Längsachse gerichteten Ausnehmung vorgesehen ist. Durch eine in der Turbinenschaufel vorgesehene Vertiefung, in der wiederum eine Ausnehmung vorgesehen ist, wird eine besonders effektive Ab­ dichtung eines Spaltes zwischen dem Ende des Profilbereichs und einer Komponente, insbesondere einer Dampfturbine, er­ reicht. Die Turbinenschaufel ist eine Laufschaufel, wobei der Spalt in diesem Fall zwischen der Laufschaufel und einem Turbineninnengehäuse gebildet wird, oder eine Leitschaufel, so daß der Spalt zwischen der Leitschaufel und dem Rotor der Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, gebildet wird. Nach einem Einbau der Turbinenschaufel in eine Turbine entspricht die Richtung, in der die Ausnehmung vertieft ist, im wesent­ lichen der Strömungsrichtung des durch die Turbine strömenden Arbeitsfluides, insbesondere Dampf. Somit wird das in dem Spalt zwischen der Turbinenschaufel und der Komponente der Turbine hindurchströmende Fluid in der Vertiefung und insbe­ sondere in der Ausnehmung verwirbelt, wodurch der Strömungs­ widerstand in dem Spalt deutlich erhöht wird. Somit wird auch die Menge des durch den Spalt strömenden Fluides verringert und es läßt sich dadurch eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine, insbesondere eine Mitteldruck- oder Niederdruck-Dampfturbine, erreichen.

Die Turbinenschaufel weist vorzugsweise an ihrem Ende eine Deckplatte auf, in die die Vertiefung eingebracht ist.

Die Dichtungsanordnung eignet sich bevorzugt für eine Dampf­ turbine mit einem Rotor und einem Innengehäuse, wobei die Dichtungsanordnung sowohl unmittelbar zwischen Innengehäuse und Rotor als Wellendichtung als auch als Dichtung zwischen einer Turbinenschaufel und dem Rotor bzw. dem Innengehäuse verwendbar ist. Rotor und Innengehäuse sind entlang einer Hauptachse gerichtet, und an dem Rotor sind sowohl in Um­ fangsrichtung als auch in axialer Richtung eine Mehrzahl von Laufschaufeln und an dem Innengehäuse eine Mehrzahl von Leit­ schaufeln befestigt.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie­ le werden die Dichtungsanordnung sowie die Turbinenschaufel in einer Dampfturbine näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch eine Dampfturbine und

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer Dichtungsanordnung an einer Laufschaufel gemäß Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnittes einer Dampfturbine mit einem Innengehäuse 13 und einem innerhalb des Innengehäuses 13 angeordneten Rotor 12. Das Innengehäuse 13 und der Rotor 12 sind entlang einer Hauptachse 14 gerich­ tet, die mit der Strömungsrichtung von die Dampfturbine an­ treibendem Dampf 17 zusammenfällt. In der Dampfturbine sind eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln 1 angeordnet, wobei hier der Übersichtlichkeit halber lediglich eine in dem Innenge­ häuse 13 befestigte Leitschaufel 11 und eine mit dem Rotor 12 verbundene Laufschaufel 10 dargestellt sind. Jede Turbinen­ schaufel 1 weist einen Schaufelfußbereich 3 auf, mit dem sie in dem Innengehäuse 13 bzw. in dem Rotor 12 verankert ist. Die Turbinenschaufel 1 ist entlang einer Längsachse 2 gerich­ tet. In Richtung der Längsachse 2 schließt sich an den Schau­ felfußbereich 3 ein Profilbereich 4 zur Umlenkung der Strö­ mung des Dampfes 17 an. Der Profilbereich 4 weist ein dem Schaufelfußbereich 3 gegenüberliegendes Ende 5 auf, an dem eine Deckplatte 7 vorgesehen ist. Die in Umfangsrichtung an dem Rotor 12 oder dem Innengehäuse 13 befestigten Turbinen­ schaufeln 10, 11 bilden somit jeweils ein kreisringförmiges Schaufelgitter, worin die Deckplatten 7 ein kreisringförmiges Deckband bilden. Die Laufschaufel 10 weist in der Deckplatte 7 zwei axial voneinander beabstandete in Umfangsrichtung ver­ laufende und radial vertiefte Vertiefungen 16a mit rechtecki­ gem Querschnitt auf. In jeder Vertiefung 16a ist stromabsei­ tig eine axiale Ausnehmung 21 vorgesehen, die ebenfalls in Umfangsrichtung gerichtet und in axialer Richtung vertieft ist. Der Deckplatte 7 gegenüberliegend sind an dem Innenge­ häuse 13 in Umfangsrichtung verlaufende Dichtelemente 9 an­ geordnet. Jeweils eines der Dichtelemente 9 ragt berührungs­ frei in eine jeweilige Vertiefung 16a hinein. Analog hierzu weist der Rotor 12 der Leitschaufel 11 unmittelbar gegenüber­ liegend zwei Vertiefungen 16b mit jeweils einer axialen Aus­ nehmung 21 mit halbkreisförmigem Querschnitt auf. An dem Ende 5 der Leitschaufel 11 sind in Umfangsrichtung verlaufende Dichtelemente 9 vorgesehen, wobei jeweils ein Dichtelement 9 in eine der Vertiefungen 16b hineinragt. Hierdurch ist ein jeweils zwischen der Turbinenschaufel 1 und dem Rotor 12 bzw. dem Innengehäuse 13 gebildeter Spalt 6 derart verschlossen, daß eine umlenkungsfreie Strömung selbst eines Teiles des Dampfes 17 durch den Spalt 6 vermieden wird. Ein freier Durchblick durch den Spalt 6 ist somit unterbunden.

Dies führt wie in Fig. 2 näher dargestellt, durch die Dicht­ elemente 9 und besonders die Vertiefungen 16a, 16b zu einer Verwirbelung und Umlenkung des Dampfes 17 in dem Spalt 6. Dies bewirkt eine Erhöhung des Strömungswiderstandes und dadurch eine Verminderung der Leckdampfströmung durch den Spalt 6 hindurch. Somit findet fast ausschließlich eine Strö­ mung des Dampfes 17 von dem Bereich 19 höheren Druckes zu dem Bereich 20 niederen Druckes durch den Profilbereich 4 der Turbinenschaufel 1 hindurch statt. Eine weitere Erhöhung des Strömungswiderstandes findet durch eine zusätzliche Umlenkung und/oder Verwirbelung der Dampfströmung 17 in der axialen Ausnehmung 21 statt. Diese liegt in der Vertiefung 16a strom­ ab des in die Vertiefung 16a hineinragenden Dichtelementes, so daß die zwischen dem Dichtelement 9 und der Vertiefung 16a hindurchströmende Dampfmenge in die axiale Ausnehmung 21 hin­ einströmt und dort umgelenkt wird.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Dichtungsanordnung, insbesondere zur Verminderung der Spaltverluste zwischen ei­ ner Turbinenschaufel und einer Komponente einer Dampfturbine, aus, die eine radiale in Umfangsrichtung verlaufende Vertie­ fung einfacher Querschnittsgeometrie mit einer stromab in die Vertiefung mündende axiale Ausnehmung einfacher Querschnitts­ geometrie aufweist. Mit einer so ausgebildeten Vertiefung ist eine Labyrinthdichtung erreicht, in der auf konstruktiv ein­ fache Art und Weise auch im Zuge einer Nachrüstung einer be­ reits bestehenden Dichtungsanordnung eine zusätzliche Verwir­ belung und/oder Umlenkung der Dampfströmung stattfindet. Hierdurch wird der Strömungswiderstand in dem Spalt, insbe­ sondere zwischen Laufschaufel und Innengehäuse sowie Leit­ schaufel und Rotor, weiter erhöht. Dies führt zu einer Ver­ minderung der Spaltverluste in einer Dampfturbine und somit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades.

Claims (10)

1. Dichtungsanordnung (18) zur Abdichtung eines ersten Bereichs (19) von einem zweiten Bereich (20), welche Bereiche (19, 20) jeweils mit einem Fluid (17) durchströmbar und auf einem unterschiedlichen Druck haltbar sind, mit einer um eine Hauptachse (14) drehbaren Komponente (12, 10) und einer fest­ stehenden Komponente (11, 13), die durch einen radialen Spalt (6) voneinander beabstandet sind, wobei eine der Komponenten (12, 13) eine in Umfangsrichtung verlaufende Vertiefung (16a, 16b) mit einer axialen Ausnehmung (21) aufweist.

2. Dichtungsanordnung (18) nach Anspruch 1, bei der die drehbare Komponente (12, 10) die Vertiefung (16a) aufweist.

3. Dichtungsanordnung (18) nach Anspruch 1 oder 2, bei der zumindest zwei Vertiefungen (16a) vorgesehen sind.

4. Dichtungsanordnung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest die andere Komponente (11, 10) ein den Spalt (6) verengendes Dichtelement (9) aufweist.

5. Dichtungsanordnung (18) nach Anspruch 4, wobei das Dichtelement (9) berührungsfrei radial in die Vertiefung (16a, 16b) hineinragt.

6. Dichtungsanordnung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die axiale Ausnehmung (21) einen recht­ eckigen oder gerundeten, insbesondere halbkreisförmigen, Querschnitt hat.

7. Turbinenschaufel (1) die entlang einer Längsachse (2) gerichtet ist, mit einem Schaufelfußbereich (3) an den sich in Richtung der Längsachse (2) ein Profilbereich (4) an­ schließt, welcher an dem dem Schaufelfußbereich (3) gegen­ überliegenden Ende (5) zumindest eine Vertiefung (16a, 16b) mit einer im wesentlichen normal zur Längsachse (2) gerichte­ ten Ausnehmung (21) aufweist.

8. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 7, bei dem an dem Ende (5) eine die Vertiefung (16a) aufweisende Deckplatte (7) vorgesehen ist.

9. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 8 oder 9, welche eine Laufschaufel (10) oder eine Leitschaufel (11) für eine Dampf­ turbine ist.

10. Dampfturbine mit einem Rotor (12) und einem Innengehäuse (13), die jeweils entlang einer Hauptachse (14) gerichtet sind, mit einer Mehrzahl mit dem Rotor (12) verbundenen Lauf­ schaufeln (10) und einer Mehrzahl mit dem Innengehäuse (13) verbundenen Leitschaufeln (11) und einer Dichtungsanordnung (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.