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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellendichtung zwischen zwei getrennten Fluidräumen, eine Turbomaschine mit einer solchen Wellendichtung sowie eine Verfahren zum Herstellen einer solchen Wellendichtung.
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Bei Gasturbinen, Turboladern oder Verdichtern werden Gase entlang ihrer Durchflussrichtung axial zu einer rotierenden Welle in einem in der Regel mehrstufigen Prozess verdichtet oder entspannt. Um den Wirkungsgrad eines Verdichters oder einer Turbine zu erhöhen, wird dabei ein Gasraum vor einer entsprechenden Verdichter- oder Expansionsstufe gegenüber einem Gasraum hinter dieser Verdichter- oder Expansionsstufe abgedichtet, um die Leckage zu reduzieren. Dazu werden z.B. Labyrinthdichtungen, Bürstendichtungen oder sogenannte Blattdichtungen verwendet.
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Labyrinthdichtungen sind klassische Dichtelemente im Turbomaschinenbau. Sie werden gut beherrscht und sind für die Hersteller vergleichsweise einfach und kostengünstig zu fertigen. Nachteile der Labyrinthdichtungen liegen in der vergleichsweise geringen Toleranz für große Läuferbewegungen, die häufig großen Verschleiß zur Folge haben. Als Verbesserung ist der Konstrukteur gezwungen, entsprechend große Spaltmaße bereitzustellen, was sich negativ auf die Dichtwirkung und die Leistung auswirkt.
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Bürstendichtungen weisen Drahtpakete auf, welche in alle Richtungen elastisch sind und daher schlecht geeignet, um eine höhere Druckdifferenz abzudichten, da die Bürsten ausweichen. Zur Unterstützung der Bürsten werden zum Teil Stützringe vorgesehen. Kommt der Rotor der Bürste näher, so federt diese zurück, wobei bei höheren Druckdifferenzen ein vergleichsweise breiter Spalt entsteht.
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Blattdichtungen bieten hier deutliche Vorteile, da die einzelnen Plattenelemente der Blattdichtungen deutlich steifer als die Bürsten der Bürstendichtung sind. Blattdichtungen haben gegenüber Bürstendichtungen jedoch den Nachteil, dass die Plattenelemente beim Anlaufen einer rotierenden Welle ein vergleichsweise hohes Reibmoment erzeugen. Durch die Ausbildung eines engen, aber axial längeren Dichtspaltes entlang der Grenze zweier benachbarter Plattenelemente muss sich der Konstrukteur beim Einsatz einer Blattdichtung auf den Erhalt dieses Dichtspaltes über die Betriebsdauer der Blattdichtung verlassen.
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Unter dem Handelsnamen Halo™ sind auch kontaktlose Dichtungen bekannt, welche die Schwankungen im hydrostatischen Druck ausnutzen, um den Spalt zum Rotor auf einer Höhe im Bereich von Hundertsteln eines Millimeters zu minimieren. Die Beschleunigung des Fluids zwischen der Dichtung und dem Rotor generiert einen Niederdruckbereich, der die Dichtung in Richtung zum Rotor hin zieht. Diese Dichtungen umfassen mehrere um den Umfang des Rotors angeordnete Dichtsegmente, die miteinander verbunden sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wellendichtung mit mehreren Dichtsegmenten bereitzustellen, bei der Leckagen in einer Radialrichtung minimiert sind.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wellendichtung zum Einbau zwischen zwei Fluidräumen, insbesondere zwischen zwei axial zu einer Welle angeordneten Gasräumen, wobei die Wellendichtung mehrere Dichtsegmente umfasst, die in eine Umfangsrichtung um die Welle derart anordenbar sind, dass eine radiale Bewegung der Dichtsegmente möglich ist, wobei zur Reduzierung einer Leckage in eine Radialrichtung die Dichtsegmente jeweils zumindest ein längliches Dichtelement aufweisen, welches sich in Umfangsrichtung erstreckt und in eine korrespondierende Aufnahme eines benachbarten Dichtsegments hineingreift.
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Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine mit einer solchen Wellendichtung.
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Die Aufgabe wird schließlich erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Wellendichtung, wobei die Wellendichtung mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt wird. Der Vorteil beim Einsatz eines generativen Fertigungsverfahrens ist, dass Dichtsegmente mit komplexer Geometrie einfach und schnell angefertigt werden können, insbesondere kann dabei das Dichtelement einstückig mit dem jeweiligen Dichtelement ausgeführt werden.
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Die im Zusammenhang mit der Wellendichtung nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Turbomaschine und Herstellungsverfahren übertragen.
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Die Erfindung basiert auf der Überlegung, die Spalte zwischen den Dichtsegmenten einer Wellendichtung zu verschließen und somit die Dichtwirkung der Wellendichtung zu optimieren. Hierzu weist jedes der Dichtsegmente zumindest ein längliches Dichtelement auf, welches in Umfangsrichtung hinausragt und in eine Aufnahme des angrenzenden Dichtsegments hineingreift. Unter „länglich“ wird hierbei verstanden, dass das Dichtelement eine im Verhältnis zur Breite größere Länge aufweist. Durch die Wechselwirkung zwischen dem Dichtelement eines ersten Dichtsegments und der Aufnahme eines weiteren Dichtsegments wird der direkte Weg in Radialrichtung für ein Fluid zwischen den Dichtsegmenten versperrt. Auf diese Weise wird eine radiale Leckage deutlich reduziert oder gar verhindert, wodurch die Lebensdauer der gesamten Konstruktion erheblich verlängert wird, da der Eintritt von Fluid in den Dichtungskörper verhindert wird. Darüber hinaus besteht durch das Dichtelement die Möglichkeit einer Verbindung von zwei benachbarten Dichtsegmenten, wodurch insgesamt die Stabilität der mehrteiligen Wellendichtung erhöht wird. Eine solche Wellendichtung zeichnet sich daher durch verbesserte Dichtwirkung und Leistungsfähigkeit aus.
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Bevorzugt ist das Dichtelement in Radialrichtung betachtet in einer radial inneren Hälfte des jeweiligen Dichtsegments angeordnet. Mit anderen Worten befindet sich das Dichtelement näher an der radial inneren Seite des Dichtelements, die der Welle zugewandt ist, als an der radial äußeren Seite des Dichtelements, die der Welle abgewandt ist. Hierdurch setzt die Dichtwirkung des Dichtelements möglichst nahe an der Welle ein, so dass eine radiale Ausbreitung des Fluids im Spalt zwischen zwei Dichtsegmenten möglichst früh verhindert wird. Insbesondere ist das Dichtelement in Radialrichtung näher an der Welle als die Verbindungsstellen zwischen zwei benachbarten Dichtsegmenten, d.h. von der Welle aus betrachtet, erfolgt zuerst die Abdichtung zwischen den benachbarten Dichtsegmenten und dann weiter außen in Radialrichtung sind Verbindungselemente angebracht, welche die benachbarten Dichtsegmente miteinander verbinden.
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Vorzugsweise ist das Dichtelement integraler Bestandteil des jeweiligen Dichtsegments. Dies bedeutet, dass das Dichtsegment und das Dichtelement einstückig ausgebildet sind. Die Ausbildung des Dichtelements ist dabei im Fertigungsprozess der Dichtung integriert, insbesondere wird das Dichtsegment mit dem Dichtelement in einem einzigen Schritt im Rahmen eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind das Dichtelement und die korrespondierende Aufnahme am benachbarten Dichtsegment als eine Labyrinthdichtung ausgeführt. Die Labyrinthdichtung beruht auf einer Verlängerung des Strömungsweges durch den abzudichtenden Spalt, wodurch der Strömungswiderstand wesentlich erhöht wird. Die Wegverlängerung wird hierbei dadurch erreicht, dass das Dichtelement in die Aufnahme hineingreift und somit den Weg zwischen den benachbarten Dichtsegmenten durch die Aufnahme umleitet.
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Vorteilhafterweise ist das Dichtelement schräg zu Radialrichtung ausgeführt. Der Winkel des Dichtelements ist insbesondere derart eingestellt, dass er die Bewegungsrichtung des Dichtelements, die eine Komponente in Radialrichtung und eine in Umfangsrichtung aufweist, wiedergibt. Auf diese Weise wird ein konstanter Abstand zwischen dem Dichtelement und der Wandung der Aufnahme im benachbarten Dichtsegment sichergestellt.
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Zweckdienlicherweise weist das Dichtelement im Bereich eines freien Endes eine Verdickung, insbesondere eine kreisrunde Verdickung, auf. Eine Verdickung am Ende des Dichtelements verkleinert weiterhin den Abstand zur Wandung der Aufnahme, so dass der Weg des Fluids weiter verengt wird. Zudem hat eine kreisrunde Verdickung den Vorteil, dass, wenn das Dichtelement mit seinem Ende die Wand der Aufnahme berührt, der Kontakt im Wesentlichen punktuell oder zumindest auf einer minimalen Fläche reduziert ist. Denkbar ist auch, dass ein permanenter Tangentialkontakt zwischen der insbesondere kreisrunden Verdickung des Dichtelements und der Wandung der Aufnahme besteht, wodurch eine zusätzliche Führung der Dichtsegmente gewährleistet ist.
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Gemäß einer alternativen Ausführung sind das Dichtelement und die korrespondierende Aufnahme als eine Reibdichtung ausgeführt, bei der ein mechanischer Kontakt zwischen dem Dichtelement und der Wandung der Aufnahme vorliegt. Das Dichtelement ist hierbei insbesondere vorgespannt. Eine derartige Reibdichtung gewährleistet zum Einen eine besonders gute Dichtwirkung, zum Anderen kann der Druck, den das vorgespannte Dichtelement auf das benachbarte Dichtsegment ausübt, eine mechanische Anregung des benachbarten Dichtsegments dämpfen.
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Im Hinblick auf eine besonders wirkungsvolle Abdichtung weist das freie Ende des Dichtelements bevorzugt eine abgeflachte Fläche zum Auflegen auf der Wandung der Aufnahme auf.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Darstellung eine mehrteilige Wellendichtung;
- 2 in einer perspektivischen Darstellung eine Vergrößerung eines Dichtsegments der Wellendichtung gemäß 1;
- 3 in einem Radialschnitt eine erste Ausführung der Wellendichtung im Bereich zwischen zwei benachbarten Dichtsegmenten; und
- 4 in einem Radialschnitt eine zweite Ausführung der Wellendichtung im Bereich zwischen zwei benachbarten Dichtsegmenten.
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Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
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Aus 1 ist eine Welldichtung 2 für eine nicht näher gezeigte Welle einer Turbomaschine zu entnehmen. Die Wellendichtung 2 ist zum Einbau zwischen zwei axial zur Welle angeordneten Gasräumen vorgesehen, wobei sie die beiden Gasräume in eine Axialrichtung A voneinander abdichtet. Die Wellendichtung 2 ist mehrteilig ausgeführt und umfasst mehrere Dichtsegmente 4, die im eingebauten Zustand in eine Umfangsrichtung U um die Welle angeordnet und mechanisch miteinander verbunden sind.
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Wie aus 2 ersichtlich, erfolgt die formschlüssige Verbindung der Dichtsegmente 4 über eine Nase 6, die in eine entsprechend geformte Aussparung 8 am jeweils benachbarten Dichtsegment 4 eingeführt ist.
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Die Dichtsegmente 4 sind derart miteinander gekoppelt, dass eine Bewegung der einzelnen Dichtsegmente 4 in eine Radialrichtung R möglich ist. Durch den radialen Versatz der Dichtsegmente 4 im eingebauten Zustand an der Welle der Turbomaschine entsteht zwischen den benachbarten Dichtsegmenten 4 ein radialer Spalt 10, der mit Hilfe eines länglichen Dichtelements 12 abgedichtet wird. Ein solches Dichtelement 12 ist in 3 dargestellt. Korrespondierend zum Dichtelement 12, d.h. angepasst in Bezug auf seine Position und Form, ist auf dem benachbarten Dichtsegment 4 eine Aufnahme 14 ausgebildet. Insbesondere sind das Dichtelement 12 und die Aufnahme 14 derart zueinander positioniert, dass das Dichtelement 12 eine Wandung 16 der Aufnahme nicht berührt. Das Dichtelement 12 ist einteilig mit dem Dichtsegment 4 ausgebildet. Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist das Dichtelement 12 als ein im Wesentlichen starrer Dichtarm ausgeführt, der schräg zur Radialrichtung R aus dem Dichtsegment 4 hinausragt. Somit bilden das Dichtelement 12 und die Aufnahme 14 eine Labyrinthdichtung. Am freien Ende des Dichtarms 12 ist eine kreisrunde Verdickung vorgesehen, wodurch der Weg eines radial zwischen den beiden gezeigten Dichtsegmenten 4 leckenden Fluids verengt wird und dadurch der Strömungswiderstand auf diesem Weg erhöht wird.
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Das Dichtelement 12 ist in der radial inneren Hälfte möglichst nahe zur Welle ausgebildet, so dass es den Weg des Fluids in den Spalt 10 möglichst früh versperrt.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Dichtelements 12 ist aus 4 zu entnehmen. Dieses Dichtelement 12 ist federnd gelagert und liegt mit einer abgeflachten Seite 20 auf der Wandung 16 der Aufnahme 14 auf, so dass eine Reibdichtung hergestellt ist. Durch den permanenten Kontakt zwischen dem Dichtelement 12 und der Wandung 16 der Aufnahme 14 wird zudem die Verbindung zwischen den benachbarten Dichtelementen 14 unterstützt und somit die Wellendichtung 2 stabilisiert.
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Beide Ausführungen der Dichtelemente 12 in Kombination mit den entsprechenden Aufnahmen 14 verbessern die Dichtwirkung der Wellendichtung 2 in Radialrichtung R und führen somit insgesamt zu einer besseren Leistungsfähigkeit der Wellendichtung 2.