Beschreibung Dichtungsanordnung sowie Verwendung einer Dichtungsanordnung Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines axialen Spaltes einer Turbomaschine, der zwischen einer um die Rotationsachse rotierbaren Komponente und einer gegen- über der Rotationsachse feststehenden Komponente gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung einer Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines axialen Spaltes zwi- schen einer Laufschaufel und einer Leitschaufel einer Dampf- turbine.

In der EP 0 611 905 A1 ist eine Vorrichtung zum berührungs- freien Abdichten eines radialen Spaltes zwischen Räumen un- terschiedlichen Drucks, insbesondere für eine Strömungsma- schine beschrieben. Hierbei müssen Wellendurchtritte zwischen Räumen unterschiedlichen Drucks mit geeigneten Dichtungen versehen werden. Die angegebene Vorrichtung besteht aus einer Labyrinthdichtung, bei der stufenförmige Labyrinthspalte zwi- schen einem rotierenden und einem feststehenden Teil gebildet sind. In den Labyrinthspalten sind jeweils an dem rotierenden und an dem feststehenden Teil Dichtungsspitzen angeordnet, wodurch ein hoher Grad der Verwirbelung eines durchströmenden Mediums erreicht werden soll. Die Dichtungsspitzen zwischen feststehendem und rotierendem Teil sind möglichst nahe anein- ander angeordnet, so daß eine Abdichtung in radialer Richtung eines sich in axialer Richtung erstreckenden Spaltes ergibt.

Die Dichtungsspitzen sind radial so gerichtet, daß sich die Dichtungsspitzen 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, S. 116-122, sind verschiedene Dichtungen für eine

Turbinenschaufel einer Dampfturbine angegeben. Die Dichtungen dienen hierbei der Abdichtung eines radialen Spaltes, d. h. eines Spaltes, der sich in Richtung der Turbinenwelle er- streckt und durch den radialen Abstand zwischen der Turbinen- welle und einer Leitschaufel oder dem radialen Abstand zwi- schen einer Laufschaufel und einer Gehäuseinnenwand einen Durchlaß für Leckdampf bildet. Es sind Dichtungen angegeben, bei denen Vertiefungen in einer Leitschaufel eingebracht sind. Die geringsten relativen Leckdampfstromraten werden fur sogenannte Spitze-Spitze-Dichtungen erzielt, bei denen in axialer Richtung alternierend Dichtspitzen an der Turbinen- welle und der Leitschaufel angeordnet sind.

In der DE 38 36 474 C2 ist eine Bürstendichtung, bestehend aus zwei Stirnplatten und einem dazwischen angeordneten Paket dicht gepackter Borsten beschrieben. Die Borsten ragen mit ihren freien Enden über die Stirnplatten hinaus. Die Bürsten sind in einer Mehrzahl von Segmenten zusammenfaßt, welche Segmente in der Hauptebene der Dichtung jeweils durch einen Spalt voneinander getrennt aufeinander folgend angeordnet sind. Die Bürstendichtung dient hierbei der Abdichtung eines radialen Spaltes zwischen zwei relativ zueinander umlaufenden Bauteilen.

In der DE 34 25 162 C2 ist eine Radialspaltdichtung beschrie- ben, die eine nach Art einer aus parallelgerichteten Borsten gebildete Bürstendichtung aufweist, wobei die Borsten geneigt sind zur Achse eines drehenden Maschinenteils. Weitere Radi- alspaltdichtungen mit Borsten, die eine Bürstendichtung bil- den, sind in der österreichischen Patentschrift 33 252 vom 10. Juni 1908, der US-Patentschrift 5,316,318 sowie der WO 92/05378 Al angegeben.

In der DE-OS 19 519 322 A1 ist eine Dichtung zwischen Laufrad und Gehäusewand einer Kreiselpumpe angegeben. Hierbei wird die bei Flüssigkeitspumpen auftretende Problematik behandelt, daß bei verschmutzter zu fördernder Flüssigkeit einer durch

die abrasive Wirkung der Schutzteile verursachten Spalterwei- terung Rechnung getragen werden muß. Hierbei ist einer der beiden Dichtungspartner als Bürste ausgebildet, die auf einer glatten Gegenfläche des anderen Dichtungspartners aufliegt.

Die durch die beiden Dichtpartner gebildete Dichtstrecke kann dabei axial oder radial verlaufen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Dichtungsan- ordnung zur Verminderung von Spaltverlusten, die in einem Spalt zwischen einer rotierbaren Komponente und einer fest- stehenden Komponente auftreten können, anzugeben. Eine wei- tere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer Ver- wendung einer Dichtungsanordnung.

Erfindungsgemäß wird die erstgenannte Aufgabe durch eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines axialen Spaltes in einer Turbomaschine, insbesondere einer thermischen Strö- mungsmaschine, gelöst, wobei der Spalt zwischen einer um die Rotationsachse rotierbaren Komponente und einer gegenüber der Rotationsachse feststehenden Komponente gebildet ist, wobei mit einem bürstenartigen, Borsten aufweisenden Dichtelement, welches in den Spalt hineinragt, eine Abdichtung erzielt wird. Eine thermische Strömungsmaschine kann hierbei eine Dampfturbine, eine Gasturbine, ein Verdichter oder ähnliches sein mit einem Fluid, das ein Gas oder Dampf ist.

Ein axialer Spalt ist hierbei ein Spalt, dessen Hauptausdeh- nungsrichtung senkrecht zur Rotationsachse gerichtet ist. Der Spalt kann hierbei zwischen 45° um die Senkrechte zur Ro- tationsachse, insbesondere 15°, geneigt sein. Durch einen axialen Spalt erfolgt ein Transport eines Fluids zur Rotati- onsachse hin oder von dieser weg. Bei einem radialen Spalt hingegen erfolgt ein Transport eiens Fluides in Richtung der Rotationsachse. Der axiale Spalt erstreckt sich somit entlang einer Ausdehnungsrichtung, die gegenüber der Rotationsachse geneigt ist.

Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, daß es zur Verringerung von Spaltverlusten möglich ist, eine Abdichtung eines axialen Spaltes zu erzielen, der sich zumindest be- reichsweise in Richtung der Rotationsachse erstreckt und eine Durchströmung eines Fluids in einer gegenüber der Rotati- onsachse geneigten Richtung ermöglicht. Hierdurch ist auch zusätzlich oder alleinig eine Verringerung von Spaltverlusten durch einen radialen Spalt gegeben, der mit dem axialen Spalt unmittelbar strömungstechnisch verbunden ist. Mit einer An- ordnung eines bürstenartigen, Borsten aufweisenden Dichtele- mentes ist zudem eine besonders effektive Abdichtung eines axialen Spaltes zwischen einer feststehenden Komponente und einer rotierenden Komponente gegeben, wobei durch Verwendung von Borsten das Dichtelement sich fast vollständig über den Spalt von der einen Komponente zur anderen Komponente er- strecken kann. Die Borsten erlauben auch eine axiale Spaltän- derung (Veränderung, insbesondere Verkleinerung, der Spalt- breite) von bis zu 2 cm, ohne beschädigt zu werden, bei gleichbleibender Dichtwirkung.

Es ist ebenfalls möglich, insbesondere bei Verwendung von biegeweichen und elastisch deformierbaren Borsten, daß die Borsten schleifend während einer Rotation der rotierbaren Komponente an dieser oder alternativ an der feststehenden Komponente anliegen können.

Die Borsten des Dichtelementes sind vorzugsweise dicht ge- packt, so daß sie den durch den Spalt gebildeten Querschnitt fast vollständig verschließen. Das Dichtelement sowie die Borsten sind vorzugsweise um einen Axialwinkel gegenüber der Rotationsachse geneigt. Dieser Axialwinkel, welcher sowohl in mathematisch positiver als auch negativer Richtung gegenüber der Rotationsachse vorliegen kann, liegt vorzugsweise be- tragsmäßig unter 40°. Insbesondere liegt er im Bereich von etwa 20°, vorzugsweise im Bereich zwischen 8°. Das Dicht- element kann auch im wesentlichen parallel zur Rotationsachse gerichtet sein. Die Dichtungsanordnung weist vorzugsweise

zwei oder mehr Dichtelemente auf, welche zusammen einen Dichtring bilden. Dieser Dichtring versperrt fast vollständig den Querschnitt des Spaltes, so daß hierdurch die Ausbildung einer Leckströmung eines Fluids, wie Dampf (Wasserdampf) oder Heißgas, weitgehend verhindert ist. Ein durch die Verwendung mehrerer Dichtelemente teilbarer Dichtring eignet sich für eine besonders einfache Demontage und für einen einfachen Austausch.

Die Ausdehnungsrichtung des Spaltes ist vorzugsweise um etwa 90° gegenüber der Rotationsachse geneigt, so daß ein klassi- scher Axialspalt im Gegensatz zu einem Radialspalt gebildet ist.

Die Dichtungsanordnung ist vorzugsweise in einer Turboma- schine, insbesondere einer Dampfturbine, einer Gasturbine oder einem Turbogenerator eingesetzt. Die rotierbare Kompo- nente ist hierbei vorzugsweise mit einer Welle der Turboma- schine verbunden. Insbesondere eignet sich die Dichtungsan- ordnung zur Abdichtung eines axialen Spaltes zwischen einer Leit-und einer Laufschaufel oder umgekehrt zwischen einer Laufschaufel und einer Leitschaufel einer Turbomaschine. Da die Druckdifferenz in diesem axialen Spalt gering ist, lassen sich die Borsten des bürstenartigen Dichtelementes in axialer Bauart sehr biegeweich gestalten. Insbesondere ist die Druck- differenz in dem axialen Spalt deutlich geringer als in einem radialen Spalt zwischen Laufschaufel und Gehäuse sowie zwi- schen Leitschaufel und Welle. Hierdurch wird der Spalt fast vollständig verschlossen, wodurch zwischen dem Dichtelement und einem aus den Leitschaufeln bzw. Laufschaufeln gebildeten Schaufelkranz ein extrem kleiner oder überhaupt gar kein durchströmbarer Querschnitt (Restspalt) eingestellt werden kann. Bei einer Verschiebung aufgrund thermischer Dehnungen der Welle während eines Betriebs der Turbomaschine gegenüber dem Gehäuse der Turbomaschine kann es zwar zu einer Spiel- überbrückung kommen, so daß die Borsten unmittelbar an der rotierenden Komponente bzw. der feststehenden Komponente an-

liegen, aber lediglich eine elastische Verformung der Borsten auftritt. Hierdurch ist gewährleistet, daß weder die Borsten, d. h. das Dichtelement, noch die Schaufeln zu Schaden kommen.

Zudem ist mit dem bürstenartig ausgebildeten Dichtelement eine günstige axiale Strömungsführung erzielbar, da der Nei- gungswinkel (Axialwinkel) der Borsten zur Rotationsachse vorab einstellbar ist. Die Dichtwirkung der Dichtungsanord- nung bliebt daher während des Betriebes der Turbomaschine er- halten. Eine Leckströmung ist während des Betriebes stets klein, so daß der Wirkungsgrad der Turbomaschine durch eine solche Art der Abdichtung eines axialen Spaltes gesteigert werden kann.

Das Dichtelement ist vorzugsweise in der feststehenden Kompo- nente angeordnet und kann hierbei in dieser auch verschieb- lich ausgestaltet sein. Beispielsweise können die Borsten zwischen zwei in axialer Richtung verschieblichen Klemmen eingespannt sein. Die axiale Bewegung des Dichtelementes kann durch Verwendung von Federn und Haltevorsprüngen oder ähnli- chem auf ein bestimmtes Maß beschränkt sein. Es ist ebenfalls möglich, das Dichtelement mit der rotierenden Komponente zu verbinden.

Die auf eine Verwendung einer Dichtungsanordnung gerichtete Aufgabe wird durch die Verwendung einer Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines axialen Spaltes in einer Dampfturbine gelöst, wobei der Spalt zwischen einer Laufschaufel und einer von dieser axial beabstandeten Leitschaufel gebildet ist, und sich ein bürstenartiges, Borsten aufweisendes Dichtelement den Spalt im wesentlichen überspannend von der Leitschaufel in Richtung der Laufschaufel erstreckt. Hiermit ist eine ef- fektive Abdichtung des axialen Spaltes gegeben, bei der selbst bei einer Relativbewegung der Laufschaufel zur Leit- schaufel in axialer Richtung eine Beschädigung der Laufschau- fel bzw. Leitschaufel und des Dichtelementes weitgehend ver- mieden ist.

Die Dichtungsanordnung sowie die Verwendung einer Dichtungs- anordnung werden beispielhaft anhand von Ausführungsbeispie- len erläutert. Die in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- rungsbeispiele sind zur Erläuterung im wesentlichen nicht maßstäblich und schematisiert dargestellt. Es zeigen : FIG 1 einen Längsschnitt durch eine Turbomaschine mit ei- ner Dichtungsanordnung, FIG 2 eine alternative Dichtungsanordnung ebenfalls in einem Längsschnitt durch eine Turbomaschine, und FIG 3 einen Ausschnitt eines Querschnittes durch die Dichtungsanordnung gemäß Figur 1.

In Figur 1 ist ein Ausschnitt einer nicht näher dargestellten Turbomaschine, beispielsweise einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, in einem Längsschnitt dargestellt. Die Turboma- schine weist eine Turbinenwelle 15 auf, die sich entlang ei- ner Rotationsachse 16 erstreckt. Mit der Turbinenwelle 15 sind eine Mehrzahl von axial voneinander beabstandeten ro- tierbaren und auch in Umfangsrichtung nebeneinander angeord- neten Komponenten 12 (Laufschaufeln 12) verbunden. In Um- fangsrichtung nebeneinander angeordnete Laufschaufeln 12 bil- den eine Laufschaufelreihe (Laufschaufelgitter, Laufschaufel- kranz), wobei hier der Übersichtlichkeit halber nur eine dar- gestellt ist. Jede Laufschaufel 12 ist im wesentlichen senk- recht zur Turbinenwelle 15 gerichtet und weist einen der Tur- binenwelle 15 abgewandtes Deckband 18B auf. Das Deckband 18B ist einem Gehäuse 19 der Turbomaschine benachbart und weist beispielhaft zwei zu dem Gehäuse 19 hin gerichtete Dichtspit- zen 16B auf. Es können auch mehr oder wenig Dichtspitzen 16B vorgesehen sein. An dem Gehäuse 19 ist ebenfalls eine Dicht- spitze 16B zu der Laufschaufel 12 gerichtet vorgesehen. Zwi- schen dem Deckband 18B und der Turbinenwelle 15 weist die Laufschaufel 12 einen Schaufelprofilbereich 20B auf. Zwischen zwei in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten Laufschau-

feln 12 wird durch die einander benachbarten Schaufelprofil- bereiche 20B eine nicht näher dargestellte Durchströmungsöff- nung für eine Strömung 22 eines Aktionsfluides gebildet, wel- ches dem Antrieb der Laufschaufel 12 und damit der Rotation der Turbinenwelle 15 dient. Stromab der Laufschaufel 12 bezo- gen auf die Strömung 22 des Aktionsfluides ist eine festste- hende Komponente 13, eine Leitschaufelanordnung mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln 13, vorgesehen, die mit dem Ge- häuse 19 verbunden ist. Die im Längsschnitt dargestellte Leitschaufel 13 weist ebenfalls ein Deckband 18A auf, welches der Turbinenwelle 15 benachbart ist. Zwischen dem Deckband 18A und dem Gehäuse 19 weist die Leitschaufel 13 ebenfalls einen Schaufelprofilbereich 20A auf, der der Umlenkung der Strömung 25 des Aktionsfluides dient. Zwischen dem Deckband 18A und der Turbinenwelle 15 ist ein Radialspalt 17A gebil- det. Analog ist ein Radialspalt 17B zwischen dem Gehäuse 19 und dem Deckband 18B der Laufschaufel 12 gebildet. In den Ra- dialspalt 17A ragen im wesentlichen senkrecht zur Rotati- onsachse 10 ausgedehnte Dichtspitzen 16A. Alternierend sind die Dichtspitzen 16A mit der Turbinenwelle 15 und dem Deck- band 18A der Leitschaufel 13 verbunden.

Während des Betriebes der nicht näher dargestellten Turboma- schine strömt durch die radialen Spalte 17A und 17B ein je- weiliger Leckstrom 23, welcher von der Strömung 22 des Akti- onsfluides abgezweigt ist. Zwischen der Leitschaufel 13 und der Laufschaufel 12 ist zudem im Bereich der jeweiligen Deck- bänder 18B und 18A ein axialer Spalt 11 durch die axiale Be- abstandung der Laufschaufel 12 von der Leitschaufel 13 gebil- det. Der axiale Spalt 11 ist im wesentlichen in einer Ausdeh- nungsrichtung 14 gerichtet, wobei die Ausdehnungsrichtung 14 senkrecht zur Rotationsachse 10 ist. In dem axialen Spalt 11 ist eine Dichtungsanordnung 1 vorgesehen, die ein Dichtele- ment 2 aufweist. Das Dichtelement 2 liegt auf einem die Tur- binenwelle 15 umgebenden in der Leitschaufel 13 angeordneten, kreisringförmigen Dichtring 4 (siehe Figur 3). Es ist jeweils ein Dichtelement 2 in dem Deckband 18A der Leitschaufel 13

sowie in einem Fußbereich 24 der Leitschaufel 13, welcher dem Deckband 18B der Laufschaufel 12 gegenüberliegt, angeordnet.

Jedes Dichtelement 2 weist eine Vielzahl von Borsten 3 auf.

Die Borsten 3 erstrecken sich von der Leitschaufel 13 im we- sentlichen parallel zur Rotationsachse 10 zur Laufschaufel 12 hin. Je nach Ausgestaltung des Dichtelementes 2 können die Borsten 3 bis an die Laufschaufel 12 ragen, diese berühren oder einen geringen Abstand von dieser aufweisen. Durch die Borsten 3 wird der Dichtring 4 gebildet, welcher den axialen Spalt 11 fast vollständig verschließt. Hierdurch ist eine be- sonders wirkungsvolle Abdichtung des axialen Spaltes 11 und damit auch einem diesem stromauf vorgeschalteten oder diesem stromab nachgeschalteten radialen Spalt 17A, 17B erzielt. Der Leckstrom 23 wird hierdurch deutlich reduziert, so daß die Strömung 22 des Aktionsfluides fast vollständig durch die Schaufelprofilbereiche 20A, 20B geführt wird.

In Figur 2 ist ebenfalls in einem Längsschnitt eine nicht nä- her dargestellte Turbomaschine in einem Ausschnitt gezeigt.

Gleiche Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in Fi- gur 1. Das Dichtelement 2 ist im Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Dichtelement 2 gegenüber der Rotationsachse <BR> <BR> <BR> 10 um einen Axialwinkel a von etwa 15° bis 20°, vorzugsweise etwa 8°, geneigt. Hierdurch ist bei einer Berührung der Bor- sten 3 des Dichtelementes 2 mit der Laufschaufel 12 eine Ver- biegung der Borsten in eine gemeinsame Richtung und damit eine besonders effektive Abdichtung des Axialspaltes 11 er- zielt.

In Figur 3 ist ein Querschnitt durch die Turbinenwelle 15 so- wie durch das Deckband 18A der Leitschaufel 13 gemäß Figur 1 dargestellt. Das Deckband 18A ist durch eine Teilungsfuge 21 in zwei symmetrische Hälften geteilt, wobei jede Hälfte aus einer Vielzahl von Teildeckbändern der jeweils zugeordneten Leitschaufeln 13 (nicht dargestellt) gebildet ist. Es ist ebenfalls möglich, daß das Deckband 18A in eine Mehrzahl von Segmenten, z. B. acht 45°-Segmenten, geteilt ist. Die Borsten

3 sind in einem Dichtring 4 zusammengefaßt, welcher ebenfalls aus zwei symmetrischen Teilen besteht, welche an der Tei- lungsfuge 21 voneinander trennbar sind. Durch die geteilte Ausführung des Dichtelementes 2, des Dichtringes 4, kann die- ser beispielsweise im Rahmen von Wartungsarbeiten oder Repa- raturarbeiten an der Turbomaschine einfach kontrolliert bzw. ersetzt werden.

Die Erfindung zeichnet sich durch ein bürstenartiges Dicht- element aus, welches in einen axialen Spalt zwischen einer rotierenden Komponente und einer feststehenden Komponente, insbesondere einer Turbomaschine hineinragt und damit eine wirkungsvolle Abdichtung des axialen Spaltes gewährleistet.

Hierdurch ist insbesondere bei einer Verwendung in einer Dampfturbine der Wirkungsgrad der Dampfturbine erhöht, da der Leckstrom von Dampf durch den axialen Spalt sowie einen die- sem stromauf bzw. stromab zugeordneten und mit diesem strö- mungstechnisch verbundenen radialen Spalt deutlich verringert ist.