Dichtungsanordnung zwischen einer Statorkomponente und einer Rotorkomponente

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einer drehbaren Rotorkomponente und einer ortsfesten Statorkomponente, umfassend einen Dichtring, der um die Rotorkomponente angeordnet ist und ein im Dicht ring radial verschiebbares Dichtelement, das in den Spalt hineinragt und eine Druckverbindung aufweist, die einen

Spaltraum, der zwischen dem Dichtelement und der Rotorkompo nente angeordnet ist, mit einem Druckraum strömungstechnisch verbindet .

Es sind verschiedene Formen von Dichtungsanordnungen bekannt, die einen Spalt zwischen einer drehbaren Rotorkomponente und einer ortsfesten Statorkomponente minimieren. Unter anderem sind sogenannte Labyrinthdichtungen bekannt, die bei Strö mungsmaschinen wie beispielsweise Gasturbinen oder Dampftur binen eingesetzt werden. Der Spalt zwischen der

Statorkomponente und der Rotorkomponente sollte minimal sein, um Strömungsverluste zu vermeiden. Allerdings ist der minima le Spalt durch mehrere Faktoren begrenzt. Zum Beispiel können transiente axiale oder radiale Dehnungen zwischen der Rotor komponente und der Statorkomponente während des Anfahrens zu einer Begrenzung des Minimums des Spalts führen. Des Weiteren kann unter anderem eine Exzentrizität der Rotorkomponente zu einem Spaltminimum führen. Ziel jeder Dichtung sollte es sein, eine Leckage zwischen den Dichtungskomponenten (Rotor komponente und Statorkomponente) zu vermeiden. Eine zu große Leckage führt zu einer Druckminderung vor der Dichtung, so- dass im Falle einer Gasturbine beispielsweise Heißgas in die Rotor-Stator-Kavität vor der Dichtung eintreten kann. Dies würde zu Schäden zu führen. Daher wird vor der Dichtungsan ordnung in der Regel Spülluft aktiv oder passiv als unver meidbare Leckageluft zugegeben, um einen Heißgaseinzug zu verhindern. Allerdings führt die Zuführung von Spülluft zu einer negativen Beeinflussung auf die Leistung und auf den Wirkungsgrad der Gasturbine.

Wünschenswert wäre eine Dichtungsanordnung, die eine verbes serte Dichtwirkung zeigt. Insbesondere eine verbesserte

Dichtwirkung mit verminderter Zuführung von Spülluft.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einer drehbaren Rotorkompo nente und einer ortsfesten Statorkomponente, umfassend einen Dichtring, der um die Rotorkomponente angeordnet ist und ein im Dichtring radial verschiebbares Dichtelement, das in den Spalt hineinragt und eine Druckverbindung aufweist, die einen Spaltraum, der zwischen dem Dichtelement und der Rotorkompo nente angeordnet ist, mit einem Druckraum strömungstechnisch verbindet, wobei der Abstand zwischen dem Dichtelement und der Rotorkomponente über den Druck im Druckraum einstellbar ist .

Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine neue Dichtung bereitzu stellen, die als wesentliches Merkmal ein radial verschiebba res Dichtelement aufweist. Dieses radial verschiebbare Dicht element ist in einem Dichtring angeordnet. Dabei wird das Dichtelement durch eine radiale Führung in axialer und in Um fangsrichtung fixiert. Eine Begrenzung in der Führungsrich tung des Verschiebeweges kann durch einen inneren und äußeren Anschlag erfolgen. Im Stillstand wird das Dichtelement durch Federn an den inneren Anschlag gedrückt.

Das Dichtelement ist in radialer Richtung beweglich ausgebil det. Eine Druckverbindung verbindet den Spaltraum mit einem Druckraum. Die Dichtungsanordnung ist hierbei derart ausge bildet, dass der Abstand zwischen dem Dichtelement und der Rotorkomponente über den Druck im Druckraum einstellbar ist. Der Abstand stellt sich selbst ein, weil bei kleinen Spalten der Druck in der Kavität zwischen Rotor und Stator steigt und dadurch eine spaltvergrößernde Kraft auftritt. In einer ersten Ausführungsform weist der Dichtring einen in nerhalb des Dichtrings angeordneten Innenraum auf, der mit einer Druckmediumleitung strömungstechnisch verbunden ist, wobei die Druckmediumleitung zum Zuführen eines Druckmediums mit einem Druck in den Innenraum ausgebildet ist und der In nenraum den Druckraum darstellt. Somit wird der Druck, der für die Betätigung des Dichtelements erforderlich ist, aus einem Innenraum des Dichtrings versorgt. Der Druck im Innen raum entsteht durch die Verbindung über eine

Druckmediumleitung mit einer externen Druckversorgung.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Druckverbindung über eine Bohrung an einer stirnseitigen Sei te des Dichtelementes erfolgen, wodurch eine strömungstechni- sche Verbindung zwischen einem Radseitenraum und dem Dicht raum erfolgen. Der Radseitenraum würde den Druckraum darstel len .

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Dichtelement einen an die Oberfläche der Rotorkomponente angepasste Vor derdichtspitze und eine axial beabstandete Hinterdichtspitze auf. Zwischen der Vorderdichtspitze und der Hinterdichtspitze ist ein Dichtraum ausgebildet, wobei dieser Dichtraum mit dem Druckraum strömungstechnisch verbunden ist. Durch die Dicht spitzen wird eine Kavität gebildet, die mit einem Druckmedium versorgt werden kann, so dass eine Bewegung in radialer Rich tung möglich ist. Um ein Überströmen des Dichtelementes zu vermeiden, erfolgt eine Abdichtung zwischen dem Dichtelement und dem Dichtring mittels einer Dichtung.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Dichtungsanord nung dahingehend verbessert werden, wenn mehrere Kavitäten angeordnet werden. In einer ersten vorteilhaften Weiterbil dung kann beispielsweise zwischen der Vorderdichtspitze und der Hinterdichtspitze eine Mitteldichtspitze angeordnet wer den. Dadurch entsteht neben einer Kavität zwischen der Vor derdichtspitze und der Hinterdichtspitze eine weitere Kavität zwischen der Mitteldichtspitze und der Hinterdichtspitze . Da- durch kann unter anderem die Kippstabilität erhöht werden, sobald eine Neigung des Segments auftritt. In dieser ersten Ausführungsform werden somit in Axialrichtung mehrere Kammern ausgebildet .

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden mehrere Kammern in Umfangsrichtung ausgebildet. Dies erfolgt, indem in Umfangsrichtung betrachtet zwischen der Rotorkomponente und dem Dichtelement Umfangsdichtspitzen angeordnet sind, die derart ausgebildet sind, dass in Umfangsrichtung mehrere Dichträume zwischen den Umfangsdichtspitzen ausgebildet sind, wobei jeder Dichtraum über eine strömungstechnische Verbin dung mit dem Druckraum verbunden ist.

Eine Kombination der Mehrkammerausführung in axialer Richtung und in Umfangsrichtung ist möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann das Dicht element derart ausgebildet werden, dass die Bewegung in axia ler Richtung erfolgt. Dazu weist die Rotorkomponente einen Kolben auf mit einer nahezu senkrecht stehenden Kolbenvorder fläche. Die Abdichtung erfolgt dann zwischen der Kolbenvor derfläche und dem Dichtelement durch eine axiale Bewegung des Dichtelementes. Das Funktionsprinzip bleibt gleich zu der ra dialen Bewegung des Dichtelementes.

Mit der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung sind deutlich geringere Radialspalte möglich, da sich der Radialspalt auto matisch einstellt. Des Weiteren kann, z. B. in einer Gastur binenanwendung, eine gezielte und dosierte Zugabe von

Kühlluft in zwei Radseitenräume (vor und hinter der Dichtung) zugegeben werden, was zu einer gezielten Einflussnahme auf die Kühlung der Radseitenräume und des Rotors führt. Des Wei teren können erfindungsgemäß thermische und mechanische Deh nungen im Betrieb automatisch ausgeglichen werden.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert werden.

Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind da bei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispie le nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzun gen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

Es zeigen:

Figur 1 eine Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen

Dichtungsanordnung

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines erfindungsgemä ßen Dichtungselementes

Figur 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Dich tungsanordnung in einer alternativen Ausführungs form

Figur 4 eine vergrößerte Darstellung einer vorteilhaften

Weiterbildung des Dichtelementes

Figur 5 eine vergrößerte Darstellung einer vorteilhaften

Weiterbildung des Dichtelementes

Figur 6 eine alternative Ausführungsform der erfindungsge mäßen Dichtungsanordnung Figur 7 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips der Dichtungsanordnung

Die Figur 1 zeigt eine Dichtungsanordnung 1. Die Dichtungsan ordnung ist zur Abdichtung eines Spaltes 2 zwischen einer drehbaren Rotorkomponente 3 und einer ortsfesten

Statorkomponente 4 ausgebildet. Die Statorkomponente 4 kann beispielsweise ein Gehäuse sein. Die Dichtungsanordnung 1 ist für eine Strömungsmaschine, wie beispielsweise eine Gasturbi ne oder eine Dampfturbine einsetzbar. Der Dichtring 5 und die Statorkomponente 4 können ein gemeinsames Bauteil darstellen.

Die Dichtungsanordnung 1 umfasst einen Dichtring 5. Der

Dichtring 5 ist in einer Umfangsrichtung 35 um die Rotorkom ponente 3 angeordnet. Der Dichtring 5 kann hierbei aus mehre ren Segmenten bestehen. Zur Abdichtung des Spaltes 2 weist die Dichtungsanordnung 1 ein in einer radialen Richtung 6 verschiebbar ausgebildetes Dichtelement 7 auf. Das Dichtele ment 7 wird durch eine radiale Führung 8 in axialer und in Umfangsrichtung 35 fixiert. Das Dichtelement 7 weist eine Druckverbindung 9 auf, die als Bohrung ausgeführt sein kann. Die Druckverbindung 9 stellt eine strömungstechnische Verbin dung zwischen einem Spaltraum 10, der zwischen dem Dichtele ment 7 und der Rotorkomponente 3 angeordnet ist und einen Druckraum auf. In der in der Figur 1 dargestellten Ausfüh rungsform der Dichtungsanordnung 1 ist der Druckraum 11 als Innenraum innerhalb des Dichtrings 5 angeordnet. Der Innen raum ist mit einer Druckmediumleitung 12 strömungstechnisch verbunden, wobei die Druckmediumleitung 12 zum Zuführen eines Druckmediums mit einem Druck in den Innenraum 11 ausgebildet ist. Der Innenraum 11 stellt in diesem Fall den Druckraum dar. Über den Druck im Druckraum ist der Abstand zwischen dem Dichtelement 7 und der Rotorkomponente 3 einstellbar.

Zur weiteren Erhöhung der Dichtwirkung der Dichtungsanordnung 1 kann zuzüglich eine Labyrinthdichtung 13 neben dem Dicht element 7 angeordnet werden. Es können auch weitere Dichtun gen wie beispielsweise Bürstendichtungen eingesetzt werden. Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf das Dichtelement 7, wo bei die Draufsicht aus der axialen Richtung 14 erfolgt. Gemäß Figur 2 kann das Dichtelement 7 aus einem Segment ausgebildet werden und weist hierzu endseitig Dichtspitzen 15 auf. Zwi schen den Dichtspitzen 15 ist der Dichtspaltraum 10 ausgebil det. Der Spaltraum 10 wird hierbei wie vorhin dargestellt über die Druckverbindung 9 mit einem Druckraum 11 strömungs technisch verbunden. Das Dichtelement 7 weist einen in Um fangsrichtung 35 ausgeführtes zum Rotor hin bogenförmiges Grundelement 16 auf. Die Oberseite des Grundelementes 16 kann gerade ausgeführt sein. An das Grundelement 16 ist ein Füh rungsbauteil 17 angeordnet, das innerhalb des Dichtrings 5 bewegbar ausgeführt ist. Am oberen Ende des Führungsbauteils 17 ist ein Anschlagsteg 18 angeordnet, der eine Bewegung des Dichtelements 7 nach unten dadurch begrenzt, indem der An schlagsteg 18 am Dichtring 5, wie in Figur 1 dargestellt, aufliegt. Die Rotorkomponente 3 und die Statorkomponente 4 sowie der Dichtring 5 sind in der Figur 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Die Figur 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfin dung. Der Unterschied der Ausführungsform gemäß Figur 3 zu der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist der, dass die Druckver bindung 9 in einem vorderen Bereich 19 des Dichtelementes 7 angeordnet ist und eine strömungstechnische Verbindung zwi schen einem Radseitenraum 20 und dem Dichtraum 21 herstellt.

Das Dichtelement 7 weist eine an die Oberfläche 22 der Rotor komponente 3 angepasste Vorderdichtspitze 22 und eine axial dazu beabstandete Hinterdichtspitze 23 auf. Die Vorderdicht spitze 22 und die Hinterdichtspitze 23 können integral mit dem Dichtelement 7 ausgebildet sein. Zwischen der Vorder dichtspitze 22 und der Hinterdichtspitze 23 ist der Dichtraum 21 ausgebildet. Der Dichtraum 21 ist mit dem Druckraum 11 strömungstechnisch verbunden. Gemäß Figur 1 ist das Dichtelement 7 doppel-T-förmig ausge bildet. Dazu weist das Dichtelement 7 ein in axialer Richtung 14 betrachtet oberes vorderes 24 und hinteres Querstück 25 auf. Das obere vordere 24 und hintere Querstück 25 sind dabei derart ausgebildet, dass eine in Richtung Rotorkomponente 3 geführte Bewegung einen äußeren Anschlag bildet und dadurch eine Bewegung des Dichtelementes 7 in Richtung Rotorkomponen te 3 begrenzt ist.

Des Weiteren weist das Dichtelement 7 eine in axialer Rich tung 14 betrachtet unteres vorderes 26 und hinteres Querstück 27 auf. Die Dichtungsanordnung 7 ist dabei derart ausgebil det, dass das untere vordere 26 und hintere Querstück 27 ei nen in Richtung Statorkomponente 4 betrachteten inneren An schlag bildet und dadurch eine Bewegung in Richtung

Statorkomponente 4 begrenzt ist.

Des Weiteren weist das Dichtelement 7 zwischen dem oberen vorderen 24 und hinteren Querstück 25 und dem unteren vorde ren Querstück 26 und unteren hinteren Querstück 27 ein in ra dialer Richtung 6 ausgebildetes Mittelstück 28 auf.

Zwischen dem Dichtring 5 und dem oberen vorderen 24 und hin teren Querstück 25 ist jeweils eine Feder 29 angeordnet.

Die Figur 4 zeigt eine Weiterbildung der Dichtungsanordnung 1. Hierbei ist zwischen der Vorderdichtspitze 22 und der Hinterdichtspitze 23 eine Mitteldichtspitze 30 angeordnet. Durch die Mitteldichtspitze 30 wird ein Vorderdichtraum 31 ausgebildet, der zwischen der Vorderdichtspitze 22 und der Mitteldichtspitze 30 angeordnet ist. Zwischen der Mittel dichtspitze 30 und der Hinterdichtspitze 23 ist ein

Hinterdichtraum 32 ausgebildet. Der Vorderdichtraum 31 ist über eine Vorderdichtraumverbindung 33 strömungstechnisch mit dem Druckraum verbunden. Der Hinterdichtraum 32 ist über eine Hinterdichtraumverbindung 34 mit dem Druckraum strömungstech- nisch verbunden. Durch die in Figur 4 dargestellte Maßnahme kann die Kippsta bilität des Dichtelementes 7 erhöht werden.

Die Figur 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Dichtelementes 7. Hierbei wird in Umfangsrichtung 35 betrach tet zwischen der Rotorkomponente 3 und dem Dichtelement 7 mehrere Umfangsdichtspitzen 36 angeordnet, die derart ausge bildet sind, dass in Umfangsrichtung 35 mehrere Dichträume 36 zwischen den Umfangsdichtspitzen 36 ausgebildet sind, wobei jeder Dichtraum 36 über eine strömungstechnische Verbindung 38 mit dem Druckraum verbunden ist.

Die Figur 6 zeigt eine alternative Ausführungsform der Dich tungsanordnung 1. Die Rotorkomponente 3 weist hierbei einen Kolben 39 auf, wobei der Kolben 39 eine zum Dichtring 5 beabstandete im Wesentlichen zur axialen Richtung 14 senk recht stehende Kolbenvorderfläche 40 aufweist, wobei das Dichtelement 7 im Wesentlichen axial beweglich zwischen der Kolbenvorderfläche 40 und dem Dichtring 5 angeordnet ist.

Die Figur 7 zeigt das Funktionsprinzip der Dichtungsanordnung 1. Das Wirkprinzip beruht auf der Einstellung einer Gleichge wichtslage. Radial einwärts wirken dabei die beiden Kräfte Fi und F ₃ . Fi resultiert aus der radial wirksamen Druckkraft, die auf das im Dichtungsring befindliche Teil des Dichtele mentes 7 wirkt. Pi entspricht dem Innendruck des Dichtrings 5. F ₃ resultiert aus der radial wirksamen Druckkraft auf die restliche Außenkontur des Dichtelements 7. P3 entspricht in etwa dem Austrittsdruck der Dichtung. Der radial auswärts wirkende Druck in dem Dichtraum P ₂ wird hauptsächlich durch die Drosselwirkung der Bohrungen im Dichtelement 7 sowie der Spalten zwischen Dichtelement 7 und Rotorkomponente 3 (K) be stimmt. Hinzu kommt eine Federkraft, die geringfügig von der radialen Position des Dichtelements 7 abhängt (nicht darge stellt) .

Während Pi und P3 nahezu unabhängig von dem Radialspalt K sind, sinkt der Druck P ₂ in dem Dichtraum mit steigendem Ra- dialspalt ab. Dabei sinkt ebenfalls die radial auswärts wir kende Kraft F2 (bei Fi und F3 gleich konstant) . Bei kleinen Radialspalten wirkt eine auswärts gerichtete Radialkraft, die zu einer Spaltvergrößerung führt. Der Gleichgewichtszustand ist bei einem Kräftegleichgewicht erreicht. Dieser Zustand stellt den Auslegungszustand der Dichtung dar. Bei einer wei teren Vergrößerung des Radialspalts wirkt die Kräftebilanz negativ und die resultierende Kraft wirkt radial einwärts, dem Gleichgewichtszustand entgegen. Die Aktivierung der Dich tung erfolgt durch den Überdruck im Dichtring 5. Das bedeu tet, dass im Stillstand das Dichtelement 7 von den Federn 29 an den inneren Anschlag gedrückt werden. K ist dabei maximal. Im Betrieb steigt der Druck im Dichtring 5. Bei ausreichend großem Druck wird Fi + F3 größer F2 + F _Fec ier, in diesem Fall senkt sich das Dichtelement 7 ab, bis sich in dem Dichtraum ein ausreichend großer Druck ausgebildet hat und sich ein Gleichgewichtszustand einstellt.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .