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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft das Gebiet der Dichtungen, die in Turbomaschinen verwendet werden. Insbesondere betrifft der hierin offenbarte Gegenstand eine Labyrinthdichtung mit zunehmendem Spalt zur Anwendung an der Grenzstelle zwischen einer umlaufenden Komponente, wie beispielsweise einem Rotor in einer Turbine oder einem Verdichter, und einer stationären Komponente, beispielsweise einem Gehäuse oder Stator.
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Labyrinthdichtungen, die in Gasturbinen, Dampfturbinen, Flugtriebwerken, Verdichtern oder anderen Turbomaschinensystemen eingesetzt werden, sind für übermäßige Leckströme anfällig, weil ein Rotorspalt derart konfiguriert sein kann, dass er hinreichend groß ist um zu helfen, ein Anreiben des Rotors gegen die Dichtung zu verhindern. Falls der Rotor mit der Dichtung in Kontakt gelangt, was als Reiben oder Anstreifen des Rotors bezeichnet wird, kann die Dichtung beschädigt werden, wonach ein noch größerer Spalt erzeugt wird. Insbesondere kann ein Reiben des Rotors in einer Gasturbine während vieler Rotorübergangsvorgänge auftreten, zu denen eine dynamische Anregung des Rotors, ein relativer Wärmeverzug des Rotors und des Stators oder eine Verschiebung des Zentrums des Rotors aufgrund der Entstehung eines hydrodynamischen Schmierfilms in den Gleitlagern bei steigender Drehzahl gehören können. Es kann zu einer Auslenkung kommen, wenn eine Gasturbine kritische Drehzahlen, beispielsweise während des Anlaufens, durchläuft. Ein Verzug kann durch thermische Unterschiede zwischen Komponenten innerhalb der Gasturbine verursacht werden. Es wird ein großer Spalt zwischen der Dichtung und dem Rotor benötigt, weil eine Labyrinthdichtung nicht in der Lage sein kann, während der Rotorübergangsvorgänge ihren Spalt anzupassen, da sie mit dem Statur starr gekoppelt sein kann. Die Spalte zwischen umlaufenden und stationären Komponenten von Gasturbinen können sowohl den Wirkungsgrad als auch das Leistungsverhalten der Turbine beeinträchtigen. Bei der Auslegung von Gasturbinen können enge Toleranzen zwischen Komponenten zu größerem Wirkungsgrad führen. Ähnliche Rotorübergangsvorgänge treten in anderen Turbomaschinensystemen, wie beispielsweise Dampfturbinen, Flugtriebwerken oder Verdichtern, auf, und die Übergangsvorgänge können häufig schwer abzuschätzen sein.
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Außerdem können Labyrinthdichtungen mit einem VCPPP-Ring (Variable Clearance Positive Pressure Packing Ring, Dichtungsring mit variablem Spalt bei positivem Druck) konfiguriert sein, der die Labyrinthdichtung mittels einer Feder von dem Rotor weg zu einem großen Spalt vorspannt. Dies hilft, ein Reiben des Rotors während der Rotorübergangsvorgänge beim Start zu verhindern. Wenn der Differenzdruck über der Dichtung über einen bestimmten Wert ansteigt, bewirken die auf den VCPPP-Ring einwirkenden Kräfte, dass dieser zu einem kleinen Rotorspalt schließt. In der VCPPP-Ringkonstruktion existiert eine Dampf-Dichtungs-Verbindung, an der der VCPPP-Ring mit dem Gehäuse oder Statur in Kontakt steht. Die Reibung an dieser Verbindungsstelle kann eine Hysterese in das öffnen und Schließen des VCPPP-Ringes einbringen. Wenn Rotorübergangsvorgänge auftreten, nachdem der VCPPP-Ring geschlossen hat, kommt es zu einem Reiben des Rotors und einer Beschädigung an den Labyrinthdichtungszähnen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bestimmte Ausführungsformen entsprechend dem Schutzumfang der ursprünglich beanspruchten Erfindung sind nachstehend kurz zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sollen den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung nicht zusammengefasst, sind vielmehr lediglich dazu vorgesehen, eine kurze Zusammenfassung möglicher Formen der Erfindung zu liefern. In der Tat kann die Erfindung vielfältige Formen einnehmen, die den nachstehend angegebenen Ausführungsformen ähnlich sein oder sich von diesen unterscheiden können.
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In einer ersten Ausführungsform enthält eine Turbomaschine ein stationäres Gehäuse und einen Rotor, der um eine Achse herum rotiert. Die Dichtungsanordnung für die Turbomaschine enthält wenigstens eine bogenförmige Platte, die mit einer Innenfläche des stationären Gehäuses gekoppelt und in einer radialen Ebene angeordnet ist. Außerdem enthält die Dichtungsanordnung einen Dichtungsring, der zwischen dem Rotor und der Platte angeordnet ist. Der Dichtungsring ist positioniert, um sich entlang der Platte in einer Radialrichtung zu bewegen. Die Dichtungsanordnung enthält ferner mehrere bogenförmige Zähne, die zwischen dem Dichtungsring und dem Rotor angeordnet sind. Die mehreren bogenförmigen Zähne enthalten wenigstens einen Teilsatz bogenförmiger Zähne. Der Spalt wenigstens eines der bogenförmigen Zähne unterscheidet sich von den Spalten der restlichen bogenförmigen Zähne. Die Spaltabstände der bogenförmigen Zähne des wenigstens einen Teilsatzes nehmen beim Durchgang von einer stromaufwärtigen Seite der Turbomaschine zu einer stromabwärtigen Seite der Turbomaschine nicht progressiv zu. Die Spalte der bogenförmigen Zähne rufen eine passive Rückkopplung der hydrostatischen Kräfte, die durch den Differenzdruck über der Dichtungsanordnung erzeugt werden, hervor, so dass, wenn ein Spitzenspaltabstand abnimmt, nach außen gerichtete Radialkräfte den Dichtungsring zur Bewegung von dem Rotor weg veranlassen, und wenn der Spitzenspalt zunimmt, nach innen gerichtete Radialkräfte den Dichtungsring veranlassen, sich zu dem Rotor hin zu bewegen. Schließlich enthält die Dichtungsanordnung ferner ein Vorspannelement, das zwischen der bogenförmigen Platte und dem Dichtungsring angeordnet und mit beiden gekoppelt ist.
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In einer zweiten Ausführungsform enthält eine Turbomaschine ein stationäres Gehäuse und einen Rotor, der um eine Achse rotiert. Die Dichtungsanordnung für die Turbomaschine enthält wenigstens eine bogenförmige Platte, die mit einer Innenfläche des stationären Gehäuses gekoppelt und in einer Radialebene angeordnet ist. Außerdem enthält die Dichtungsanordnung einen Dichtungsring, der zwischen dem Rotor und der Platte angeordnet ist. Die Dichtungsanordnung enthält ferner mehrere bogenförmige Zähne, die zwischen dem Dichtungsring und dem Rotor angeordnet sind. Der Spaltabstand wenigstens eines der bogenförmigen Zähne unterscheidet sich von den Spaltabständen der restlichen bogenförmigen Zähne. Die Spaltabstände der bogenförmigen Zähne nehmen im Verlauf von einer stromaufwärtigen Seite der Turbomaschine zu einer stromabwärtigen Seite der Turbomaschine nicht progressiv zu. Die Spalte der bogenförmigen Zähne rufen eine passive Rückkopplung der hydrostatischen Kräfte, die durch den Differenzdruck über der Dichtungsanordnung erzeugt werden, hervor, so dass, wenn ein Spitzenspaltabstand abnimmt, nach außen gerichtete Radialkräfte den Dichtungsring veranlassen, sich von dem Rotor weg zu bewegen, und wenn der Spitzenspalt zunimmt, nach innen gerichtete Radialkräfte den Dichtungsring veranlassen, sich in Richtung auf den Rotor zu bewegen. Schließlich enthält die Dichtungsanordnung ferner ein Vorspannelement, das zwischen der bogenförmigen Platte und dem Dichtungsring angeordnet und mit beiden gekoppelt ist.
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In einer dritten Ausführungsform enthält eine Turbine oder ein Verdichter einen um eine Achse herum rotierenden Rotor, ein den Rotor umgebendes stationäres Gehäuse und eine Dichtungsanordnung, die zwischen dem Rotor und dem stationären Gehäuse angeordnet ist. Jedes Segment der Dichtungsanordnung enthält ferner wenigstens eine bogenförmige Platte, die mit einer Innenfläche des stationären Gehäuses gekoppelt und in einer Radialebene positioniert ist. Jedes Segment der Dichtungsanordnung enthält ferner ein bogenförmiges Segment eines Dichtungsringes, der zwischen dem Rotor und der Platte angeordnet ist. Der Dichtungsring ist positioniert, um sich entlang der Platte in einer Radialrichtung zu bewegen. Das bogenförmige Segment enthält keine Dampf-Dichtungs-Verbindung. Jedes Segment der Dichtungsanordnung enthält ferner mehrere bogenförmige Zähne, die zwischen dem Dichtungsring und dem Rotor angeordnet sind. Die mehreren bogenförmigen Zähen enthalten wenigstens einen Teilsatz bogenförmiger Zähne. Der Spalt wenigstens eines der bogenförmigen Zähne unterscheidet sich von den Spalten der restlichen bogenförmigen Zähne. Die Spalte der bogenförmigen Zähne des wenigstens einen Teilsatzes nehmen beim Durchgang von einer stromaufwärtigen Seite der Turbine oder des Verdichters zu einer stromabwärtigen Seite der Turbine oder des Verdichters nicht progressiv zu. Die Spalte der bogenförmigen Zähne rufen eine passive Rückkopplung der hydrostatischen Kräfte, die durch den Differenzdruck über der Dichtungsanordnung erzeugt werden, hervor, so dass, wenn ein Spitzenspalt abnimmt, nach außen gerichtete Radialkräfte den Dichtungsring veranlassen, sich von dem Rotor weg zu bewegen, und wenn der Spitzenspalt zunimmt, nach innen gerichtete Kräfte den Dichtungsring veranlassen, sich zu dem Rotor hin zu bewegen. Schließlich enthält jedes Segment der Dichtungsanordnung ein Vorspannelement, das zwischen der bogenförmigen Platte und dem bogenförmigen Segment des Dichtungsringes angeordnet ist. Das Vorspannelement ist mit der bogenförmigen Platte und dem Dichtungsring gekoppelt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche Teile bezeichnen, worin zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Turbinensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2 eine Perspektivansicht eines Dichtungsbereiches eines Turbinensystems, wie in 1 veranschaulicht, mit einer Dichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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3 eine Querschnittsansicht einer Dichtungsanordnung mit Zähnen an dem Dichtungsring gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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4 eine Querschnittsansicht einer Dichtungsanordnung mit Zähnen an dem Dichtungsring und mit erhabenen Ansätzen an dem umlaufenden Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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5 eine Querschnittsansicht einer Dichtungsanordnung mit Zähnen an dem umlaufenden Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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6 eine Querschnittsansicht einer Dichtungsanordnung mit Zähnen an dem Dichtungsring und mehreren Platten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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7 eine Querschnittsansicht einer Dichtungsanordnung mit Zähnen sowohl an dem Dichtungsring als auch an dem umlaufenden Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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8 eine grafische Darstellung, die Spitzenspalte als Funktion einer axialen Position eines Teilsatzes von acht Zähnen veranschaulicht, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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9 eine grafische Darstellung, die Spitzenspalte als Funktion der axialen Position eines anderen Teilsatzes von acht Zähnen veranschaulicht, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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10 eine grafische Darstellung, die Spitzenspalte als Funktion der axialen Position eines weiteren Teilsatzes von acht Zähnen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
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11 eine grafische Darstellung, die Spitzenspalte als Funktion der axialen Position eines noch weiteren Teilsatzes von acht Zähnen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
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12 eine grafische Darstellung, die Spitzenspalte als Funktion der axialen Position eines noch weiteren Teilsatzes von acht Zähnen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
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13 eine grafische Darstellung, die Spitzenspalte als Funktion der axialen Position von zwei Teilsätzen von Zähnen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
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14 eine grafische Darstellung, die die erwartete Druckverteilung unter den Dichtungsringzähnen als Funktion des letzten Zahnspaltes oder Spitzenspaltes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
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15 eine grafische Darstellung, die die Schließ- und Öffnungskräfte veranschaulicht, die auf einen Dichtungsring gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einwirken;
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16 eine grafische Darstellung, die das Konzept eines Gleichgewichtsspaltes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; und
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17 eine grafische Darstellung, die veranschaulicht, wie der Gleichgewichtsspalt von dem Druckverhältnis zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Druck abhängig ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachstehend beschrieben. Im Bestreben, eine knappe und präzise Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können gegebenenfalls nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Realisierung in der Beschreibung beschrieben sein. Es sollte verstanden werden, dass bei der Entwicklung jeder derartigen tatsächlichen Realisierungsform, wie bei jedem Entwicklungs- oder Entwurfsprojekt, zahlreiche realisierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um spezielle Ziele der Entwickler, wie beispielsweise das Erfüllen systembezogener und unternehmensbezogener Randbedingungen, die von einer Realisierung zur anderen variieren können, zu erreichen. Außerdem sollte verstanden werden, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand zwar komplex und zeitaufwendig sein kann, nichtsdestoweniger für Fachleute, die den Vorteil dieser Offenbarung haben, ein routinemäßiges Unterfangen zum Entwurf, zur Fertigung und Herstellung darstellen würde.
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Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel „ein”, „eine”, „der”, „die” und „das” bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Ausdrücke „aufweisen”, „enthalten” und „haben” sollen im einschließlichen Sinne verstanden werden und bedeuten, dass es außer den aufgeführten Elementen weitere Elemente geben kann.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Turbinensystems 10, das vielfältige Komponenten enthalten kann, von denen einige der Einfachheit halber nicht veranschaulicht sind. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält das Gasturbinensystem 10 einen Verdichterabschnitt 12, einen Brennkammerabschnitt 14 und einen Turbinenabschnitt 16. Der Turbinenabschnitt 16 enthält ein stationäres Gehäuse 18 und ein umlaufendes Element 20, das rings um eine Achse 22 umläuft. Umlaufende Schaufeln 24 sind an dem umlaufenden Element 20 befestigt, während stationäre Schaufeln 26 an dem stationären Gehäuse 18 angebracht sind. Die Laufschaufeln 24 und die stationären Schaufeln 26 sind in der Axialrichtung einander abwechselnd angeordnet. Es gibt mehrere mögliche Stellen, an denen Dichtungsanordnungen eingebaut sein können, wie beispielsweise die Stelle 28 zwischen einer mit einem Deckband versehenen Laufschaufel 24 und einem stationären Gehäuse 18, einer Stelle 30 zwischen dem umlaufenden Element 20 und der stationären Schaufel 26 oder einer Endpackungsdichtungsstelle 32 zwischen dem umlaufenden Element 20 und dem stationären Gehäuse 18.
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2 zeigt eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der Dichtungsanordnung 32 des Turbinensystems 10 nach 1. Luft, Brennstoff oder andere Gase treten in das Turbinensystem 10 auf einer stromaufwärtigen Seite 34 ein und treten aus dem System auf einer stromabwärtigen Seite 36 aus. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Axialrichtung durch eine Achse 40 angezeigt, und die Radialrichtung ist durch eine Achse 42 angezeigt. Mit der bogenförmigen Fläche des stationären Gehäuses 18, die dem umlaufenden Element 20 zugewandt ist, ist eine bogenförmige Platte 44 verbunden. In bestimmten Ausführungsformen kann die Platte aus Stahl oder Stahllegierungen hergestellt sein. Außerdem kann der Querschnitt der Platte, wie in 2 angezeigt, als T-förmig erscheinen. Die Platte 44 kann mit dem Gehäuse 18 starr verbunden sein. Außerdem kann die Platte 44 als ein vollständiger 360-Grad-Ring, als zwei 180-Grad-Ringe oder als kleinere Bögen, die gemeinsam einen vollständigen Ring bilden, angeordnet sein. Ferner kann die Platte 44 in manchen Ausführungsformen aus mehreren Platten bestehen, die ähnlich konfiguriert sind.
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Zwischen der Platte 44 und dem umlaufenden Element 20 ist ein bogenförmiger Dichtungsring 46 angeordnet. Der Ring 46 kann aus mehreren Segmenten bestehen, die gemeinsam einen vollständigen Ring bilden. In manchen Ausführungsformen kann der Ring aus Stahl oder Stahllegierungen hergestellt sein. Außerdem ist der Ring konfiguriert, um zu der Platte 44 mit einem Spalt 47 zu passen. Zwischen dem stationären Gehäuse 18 und dem Dichtungsring 46 sind Vorspannelemente 48 angeordnet. Die Vorspannelemente 48 dienen als Biegelager- bzw. Beugungseinrichtungen und erzielen eine hohe Steifigkeit in der Axialrichtung 40 und eine geringe Steifigkeit in der Radialrichtung 42. Die hohe axiale Steifigkeit schränkt eine wesentliche Bewegung in der Axialrichtung ein. Die geringe radiale Steifigkeit ermöglicht dem Dichtungsring 46, sich in der Radialrichtung zu bewegen. Außerdem trägt das Vorspannelement das Gewicht des Dichtungsrings 46 und hindert diesen daran, unter strömungsfreien Bedingungen das umlaufende Element 20 zu berühren. In bestimmten Ausführungsformen kann das Vorspannelement 48 aus mehreren Beugungseinrichtungen bestehen. Ein Ende 50 jeder Beugungseinrichtung kann mit dem Dichtungsring 46 mechanisch gekoppelt sein, während das andere Ende 52 jeder Beugungseinrichtung mit dem stationären Gehäuse 18 oder mit der Platte 44, wenn diese T-förmig gestaltet ist, mechanisch gekoppelt sein kann. In bestimmten Ausführungsformen können Beispiele für eine mechanische Kopplung eine Bolzenverbindung, eine Schweißverbindung oder sonstige geeignete Methoden zur mechanischen Befestigung zweier Strukturen enthalten. In anderen Ausführungsformen kann das Beugungseinrichtungsende 50 einen integralen Teil des Dichtungsrings 46 bilden und an dem Gehäuse 18 mechanisch befestigt sein. In einer noch weiteren Ausführungsform kann das Beugungseinrichtungsende 52 einen integralen Teil des stationären Gehäuses 18 oder der Platte 44, wenn diese T-förmig gestaltet ist, bilden und an dem Dichtungsring mechanisch befestigt sein. In dieser Ausführungsform ist jede Beugungseinrichtung als ein Kragarm mit einem großen Seitenverhältnis der Weite zur Dicke veranschaulicht. Es sind andere Konstruktionen der Beugungseinrichtung möglich, die ebenfalls eine hohe axiale Steifigkeit und eine geringe radiale Steifigkeit erreichen.
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Der Dichtungsring 46 enthält ferner mehrere bogenförmige Zähne 54, die mit der Oberfläche des Rings, die dem umlaufenden Element 20 zugewandt ist, gekoppelt sind. Die Segmente jedes Zahns, die an jedem Segment des Rings 46 angeordnet sind, bilden gemeinsam einen vollständigen Ring um das umlaufende Element 20 herum. In manchen Ausführungsformen können die Zähne 54 aus einer Stahllegierung hergestellt sein. Die Zähne 54 können in einem oder mehreren Teilsätzen von Zähnen angeordnet sein. Der Spalt zwischen dem umlaufenden Element 20 und wenigstens einem der Zähne 54 unterscheidet sich von den Spalten der restlichen Zähne 54. In anderen Worten sind die Spaltabstände all der Zähne 54 nicht identisch. Z. B. kann ein Dichtungsring 64 mit sechs Zähnen 54 fünf identische Spalte und einen, der sich unterscheidet, enthalten. Weitere Beispiele, die sechs Zähne 54 verwenden, enthalten vier identische Spalte und zwei, die sich unterscheiden, drei identische Spalte und drei, die sich unterscheiden, zwei identische Spalte und vier, die sich unterscheiden, und sechs Spalte, die sich alle voneinander unterscheiden. Außerdem nehmen die Spaltabstände zwischen dem umlaufenden Element 20 und den Zähnen 54 wenigstens eines Teilsatzes nicht progressiv zu beim Durchgang von der stromaufwärtigen Seite 34 der Turbine oder des Verdichters zu der stromabwärtigen Seite 36. Z. B. können die Spalte wenigstens eines Teilsatzes sich beim Durchgang von der stromaufwärtigen Seite 34 der Turbine oder des Verdichters zu der stromabwärtigen Seite 36 zunehmend verkleinern. In manchen Ausführungsformen können einige, jedoch nicht alle, von den Spalten gleich sein. Damit die Spaltabstände nicht progressiv zunehmen, verringern sich die Höhen der Zähne 54 wenigstens eines Teilsatzes nicht zunehmend beim Durchgang von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36. In manchen Ausführungsformen können die Höhen von einigen, jedoch nicht allen, von den Zähnen 54 gleich sein. Jede Verringerung der Spaltabstände kann linear, quadratisch, parabelartig oder von willkürlicher Art sein. Außerdem kann der Abstand zwischen benachbarten Zähnen 54 oder Teilsätzen von Zähnen 54 gleich sein oder variieren, wie dies hier nachstehend erläutert ist.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 60 mit Zähnen an dem Dichtungsring 46. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Dichtungsring 46 mit der Platte 44 durch zwei Sätze von Beugungseinrichtungen, einem Satz von Beugungseinrichtungen 66 auf der stromaufwärtigen Seite und einem Satz von Beugungseinrichtungen 68 auf der stromabwärtigen Seite, gekoppelt. Die radiale Nachgiebigkeit des stromaufwärtigen Satzes 66 und des stromabwärtigen Satzes 68 von Beugungseinrichtungen ist in schematisierter Weise als Federn angezeigt. In der veranschaulichten speziellen Ausführungsform werden stromaufwärtige und stromabwärtige Anordnungen von Beugungseinrichtungen für den Dichtungsring 46 verwendet, die den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Abschnitten des die Platte 44 umgebenden Rings entsprechen. Ein vorderer Spalt 74 ist zwischen dem stromaufwärtigen Abschnitt des Dichtungsrings 46 und der Platte 44 vorhanden, und ähnlich ist ein hinterer Spalt 76 zwischen dem stromabwärtigen Abschnitt des Dichtungsrings und der Platte vorhanden. Diese Spalte bieten einen Strömungswiderstand gegen den Leckstrom und sollten minimiert sein, um den Leckstrom zu reduzieren. In manchen Ausführungsformen können der vordere Spalt 74 und der hintere Spalt 76 zwischen ungefähr 50 Mikrometern und 250 Mikrometern betragen. Die hohe axiale Steifigkeit der Beugungseinrichtungen erhält den vorderen und hinteren Spalt während des Betriebs bei ungefähr dem gleichen Wert aufrecht. Zwischen dem Dichtungsring 46 und der Platte 44 existiert eine Tasche 78. Die Höhe 79 der Tasche 78 ist ausgelegt, um eine ausreichende radiale Bewegung zuzulassen, um ein Reiben des Rotors während der Rotorübergangsvorgänge zu vermeiden. Gase entweichen durch einen Leckagepfad 80, der durch den vorderen Spalt 74, die Tasche 78 und den hinteren Spalt 76 führend existiert. Folglich sind der vordere Spalt 74 und der hintere Spalt 76 konfiguriert, um die Menge der Gase, die durch den Pfad 80 entweichen, zu reduzieren. Außerdem enthält der Dichtungsring 76 in einer Ausführungsform keine Dampf-Dichtungs-Verbindung, um Reibung zu eliminieren, was dem Dichtungsring ermöglicht, sich in Abhängigkeit von passiven Rückkopplungskräften radial zu bewegen, wie dies nachstehend beschrieben ist.
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In der veranschaulichten Ausführungsform nach 3 enthält der Dichtungsring 46 ferner einen Teilsatz von sechs bogenförmigen Zähnen. Andere Ausführungsformen können zwei oder mehrere Teilsätze von bogenförmigen Zähnen enthalten. Ein Zahn 70 auf der stromaufwärtigen Seite und ein Zahn 72 auf der stromabwärtigen Seite sind auf der dem umlaufenden Element 20 zugewandten Oberfläche des Dichtungsrings 46 angeordnet. Der Abstand zwischen der Spitze des stromabwärtigen Zahns 72 und dem umlaufenden Element 20 ist als der stromabwärtige Spitzenspalt bzw. Spitzenspaltabstand 84 definiert. In manchen Ausführungsformen kann der stromabwärtige Spitzenspalt 84 im Betrieb zwischen ungefähr 125 Mikrometern und 380 Mikrometern betragen. Der Abstand zwischen der Spitze des stromaufwärtigen Zahns 70 und dem umlaufenden Element 20 ist als der stromaufwärtige Spitzenspalt bzw. Spitzenspaltabstand 82 definiert. Die Differenz zwischen dem stromaufwärtigen Spitzenspalt 82 und dem stromabwärtigen Spitzenspalt 84 ist als die Spaltprogression 83 definiert, die in manchen Ausführungsformen zwischen ungefähr 400 Mikrometern und 1400 Mikrometern betragen kann. Der stromaufwärtige Spitzenspalt 82 ist größer als der stromabwärtige Spitzenspalt 84. Außerdem nimmt der Spaltabstand jedes Zahns im Verlauf von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36 progressiv ab. Diese Progression der Zahnspaltabstände erzeugt passive Rückkopplungskräfte, die hier nachstehend erläutert sind, die auf den Dichtungsring 46 einwirken.
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Bezugnehmend auf 4 ist dort eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 100 mit erhabenen Ansätzen 102 veranschaulicht, die ebenfalls die progressive Abnahme der Zahnspaltabstände im Verlauf von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36 veranschaulicht. Solche „Auf-Ab”-Merkmale können bei der Erzeugung mehrerer gewundener Pfade für den Leckstrom nützlich sein. Wie in den 3 und 4 veranschaulicht, kann der Abstand 86 zwischen benachbarten Zähnen gleichmäßig oder ungleichmäßig sein. Z. B. kann der Abstand 86 in einer Ausführungsform im Verlauf von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 46 zunehmen. Ferner hängt die Weite der Labyrinthdichtung 88 von dem Differenzdruck über dieser ab. Schließlich entweichen Gase durch den Leckagepfad 90, der zwischen der Spitze jedes Zahns und dem umlaufenden Element 20 existiert, und schließlich durch den stromabwärtigen Spitzenspalt 84. Folglich ist der stromabwärtige Spitzenspalt 84 konfiguriert, um die Menge an Gasen, die durch den Pfad 90 entweichen, zu reduzieren.
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Weitere Abmessungen, die in den 3 und 4 veranschaulicht sind, umfassen den Abstand 92 zwischen dem Dichtungsring 46 und der Platte 44. Der minimale Wert des Abstands 92 sollte erwartete radiale Übergänge zulassen. Der maximale Wert des Abstands 92 ist durch Platzbeschränkungen bestimmt. Die Weite 94 hängt von dem Differenzdruck über der Dichtung ab, da sich die Platte 44 aufgrund des Differenzdrucks nicht wesentlich verbiegen sollte.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 110 mit Zähnen an dem umlaufenden Element 20. In der veranschaulichten Ausführungsform können alle Aspekte der Zähne, einschließlich der Höhe, des Abstands und der Konfiguration, gleich den an dem Dichtungsring in 3 angeordneten Zähnen sein. Der Dichtungsring 46 ist mit dem Ring in 3 gleich, außer dass anstelle von Zähnen, die an der dem umlaufenden Element 20 zugewandten Oberfläche angeordnet sind, an dem Ring eine abreibbare Beschichtung 112 vorgesehen ist. In manchen Ausführungsformen kann die abreibbare Beschichtung 112 Nickel, Chrom, Aluminium, hexagonales Bornitrit, Eisen oder eine Kombination von diesen enthalten. Es können auch andere abreibbare Materialien verwendet werden. Die Zusammensetzung der abreibbaren Beschichtung 112 ist derart, dass in dem Fall, dass die Spitzen von irgendwelchen der Zähne mit der Beschichtung in Kontakt gelangen, sich die Beschichtung vorzugsweise abnutzt ohne eine Beschädigung an den Zähnen. In der veranschaulichten speziellen Ausführungsform repräsentieren der stromabwärtige Spitzenspalt 84 und der stromaufwärtige Spitzenspalt 82 die Abstände zwischen der abreibbaren Beschichtung 112 des Dichtungsrings und den Spitzen des stromabwärtigen Zahns 72 bzw. des stromaufwärtigen Zahns 70. Weitere in 5 veranschaulichte Elemente, die den in 3 veranschaulichten ähnlich sind, sind oben erläutert.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 120 mit mehreren Platten. In der veranschaulichten Ausführungsform sind zusätzlich zu der Zwischenplatte 44 eine stromaufwärtige Platte 122 und eine stromabwärtige Platte 124 vorhanden. Die Hinzufügung der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Platte erzeugt einen mehr gewundenen Leckagepfad 80. Insbesondere können jegliche Gase, die durch den Leckagepfad 80 hindurchtreten, durch den ersten Spalt 126 zwischen der stromaufwärtigen Platte 122 und dem stromaufwärtigen Abschnitt des Dichtungsrings 46, den zweiten Spalt 128 zwischen dem stromaufwärtigen Abschnitt des Rings und der Zwischenplatte 44, den dritten Spalt 130 zwischen der Platte 44 und dem stromabwärtigen Abschnitt des Rings und den vierten Spalt 142 zwischen dem stromabwärtigen Abschnitt des Rings und der stromabwärtigen Platte 124 verlaufen. Diese Spalte bieten einen Strömungswiderstand gegen den Leckstrom und sollten minimiert sein, um den Leckstrom zu reduzieren. Ein derartiger Pfad 80 kann die Gasleckagemenge im Vergleich zu den in den 3 und 5 veranschaulichten Pfaden reduzieren. Weitere in 6 veranschaulichte Elemente, die den in 3 veranschaulichten ähnlich sind, sind oben erläutert.
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7 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 140 mit Zähnen, die sowohl an dem Dichtungsring 46 als auch an dem umlaufenden Element 20 angeordnet sind. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält der Dichtungsring 46 einen Teilsatz von elf bogenförmigen Zähnen. Andere Ausführungsformen können zwei oder mehrere Teilsätze von bogenförmigen Zähnen enthalten. Der Dichtungsring 46 enthält eine erste Gruppe von sechs bogenförmigen Zähnen, zu denen ein stromaufwärtiger Zahn 142 und ein stromabwärtiger Zahn 144 gehören und die auf der dem umlaufenden Element 20 zugewandten Oberfläche angeordnet sind. Ferner enthält das umlaufende Element 20 eine zweite Gruppe von fünf bogenförmigen Zähnen, einschließlich eines stromaufwärtigen Zahns 146 und eines stromabwärtigen Zahns 148, die an der dem Dichtungsring 46 zugewandten Oberfläche angeordnet sind. Der Abstand 86 zwischen benachbarten Zähnen an dem Dichtungsring 46 kann im Vergleich zu dem Abstand 87 zwischen benachbarten Zähnen an dem umlaufenden Element 20 anders sein. Wie bei der in 3 veranschaulichten Dichtungsanordnung 60 können die Abstände 86 und 87 zwischen allen Zähnen gleichmäßig oder ungleichmäßig sein. Die Weite der Labyrinthdichtung 150 hängt von dem Differenzdruck über dieser ab und kann aufgrund der kleineren Spalte kleiner sein als diejenige anderer Labyrinthdichtungen. Die Verwendung ineinander greifender Zähne kann insofern vorteilhaft sein, als der Leckagepfad 90 gewundener ist als bei einer Ausführungsform mit lediglich einer einzigen Gruppe von Zähnen, was eine geringere Leckage zur Folge hat. In manchen Ausführungsformen kann eine abreibbare Beschichtung, ähnlich der in 5 veranschaulichten, an dem Dichtungsring 46 vorgesehen sein. Weitere in 5 veranschaulichte Elemente, die den in 3 veranschaulichten ähnlich sind, sind oben erläutert.
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Indem als nächstes auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen wird, die Teilsätze mit zwei oder mehreren Zähnen mit gleichen Spalten enthalten, zeigen 8–12 grafische Darstellungen, die den Spitzenspalt als Funktion der axialen Position veranschaulichen. In den folgenden Grafiken repräsentiert die Abszisse (x-Achse) 164 die axiale Position eines Zahns in Zentimetern, und die Ordinate (y-Achse) 166 repräsentiert den Spitzenspalt in Mikrometern. Eine kleinere axiale Position entspricht einer Position näher an der stromaufwärtigen Seite 34, und eine größere axiale Position entspricht einer Position näher an der stromabwärtigen Seite 36. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Abstand zwischen den Zähnen der Teilsätze gleichmäßig oder ungleichmäßig sein.
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In der veranschaulichten Ausführungsform, die in der Grafik 160 nach 8 gezeigt ist, enthält ein Teilsatz 162 einen ersten Spalt 168, einen zweiten Spalt 170 und einen dritten Spalt 172, die progressiv abnehmen. Um die Beziehung zwischen der Zahnhöhe und dem Spalt zu veranschaulichen, ist ein Zahn 173 oberhalb des dritten Spaltes 172 für Referenzzwecke veranschaulicht. Die nächsten drei Spalte 174 sind identisch und sind kleiner als der dritte Spalt 172. Die nächsten beiden Spalte 176 sind identisch und sind kleiner als die drei Spalte 174. Wie in 8 veranschaulicht, nehmen die Spalte nicht progressiv zu im Verlauf von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36, wodurch passive Rückkopplungskräfte erzeugt werden, wie dies nachstehend erläutert ist. D. h., obwohl einige der Zähne des Teilsatzes 162 die gleiche Höhe haben, liegt keine Vergrößerung der Spaltabstände innerhalb des Teilsatzes 162 beim Durchgang von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36 vor. Außerdem können einige Ausführungsformen der Dichtungsanordnungen mehr als einen einzigen Teilsatz 162 enthalten, wie dies nachstehend beschrieben ist.
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9 zeigt eine grafische Darstellung 180 unter Veranschaulichung von Spalten als Funktion der axialen Position eines Teilsatzes 182 von acht Zähnen. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die ersten zwei Spalte 184 identisch. Ähnlich sind die zweiten zwei Spalte 186, die dritten zwei Spalte 188 und die vierten zwei Spalte 190 jeweils identisch. Außerdem sind die ersten zwei Spalte 184 größer als die zweiten zwei Spalte 186, die größer sind als die dritten zwei Spalte 188, die größer sind als die vierten zwei Spalte. In anderen Worten gibt es, obwohl vier Paare von Spalten innerhalb des Teilsatzes 182 jeweils gleich sind, keine progressive Erhöhung der Spaltabstände im Verlauf von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36. Andere Ausführungsformen können mehr als zwei Zähne mit denselben Spaltabständen enthalten. Wie in 9 veranschaulicht, vergrößern sich die Spaltabstände innerhalb des Teilsatzes 182 im Verlauf von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36 nicht, wodurch passive Rückkopplungskräfte erzeugt werden.
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10 zeigt eine grafische Darstellung 200 unter Veranschaulichung von Spalten als Funktion der axialen Position eines Teilsatzes 202 von acht Zähnen. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die ersten vier Spalte 204 identisch. Ähnlich sind die zweiten vier Spalte 206 identisch, und sie sind geringer als die ersten vier Spalte 204. Andere Ausführungsformen können mehr oder weniger als vier Zähne mit identischen Spalten enthalten. Außerdem können manche Ausführungsformen eine erste Gruppe von identischen Spalten mit mehr oder weniger Zähnen als eine zweite Gruppe identischer Spalte enthalten. Wie in 10 veranschaulicht, nehmen die Spalte der Zähne innerhalb des Teilsatzes 202 im Verlauf von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36 nicht zu, wodurch passive Rückkopplungskräfte erzeugt werden.
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11 zeigt eine grafische Darstellung 210 unter Veranschaulichung von Spalten als Funktion der axialen Position eines Teilsatzes 212 von acht Zähnen. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die ersten beiden Spalte 214 identisch. Die nächsten vier Spalte 216 sind ebenfalls identisch und sind kleiner als die ersten beiden Spalte 214. Die letzten beiden Spalte 218 sind identisch und sind kleiner als die vier Spalte 216. Durch Variation der Anzahl von Zähnen mit den gleichen Spalten kann die Verteilung der passiven Rückkopplungskräfte entlang des Dichtungsrings eingestellt werden, um zu den Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu passen. Andere Ausführungsformen können mehr oder weniger Zähne mit identischen Spalten enthalten. Wie in 11 veranschaulicht, nehmen die Spalte der Zähne innerhalb des Teilsatzes 212 im Verlauf von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36 nicht zu, wodurch passive Rückkopplungskräfte erzeugt werden.
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12 zeigt eine grafische Darstellung 230, die Spalte als Funktion der axialen Position eines anderen Teilsatzes 232 von acht Zähnen veranschaulicht. In der dargestellten Ausführungsform sind die ersten vier Spalte 234 identisch. Die nächsten zwei Spalte 236 sind ebenfalls identisch und sind kleiner als die ersten vier Spalte 234. Die letzten zwei Spalte 238 sind identisch und sind kleiner als die zwei Spalte 236. Im Vergleich zu der 11 sind die nach innen gerichteten Radialkräfte, die den Dichtungsring veranlassen, sich zu dem Rotor hin zu bewegen, zu der stromaufwärtigen Seite 34 der 12 hin größer, weil die ersten vier Spalte 234 größer sind als die ersten vier Spalte nach 11. Durch Variation der Spalte in einem Teilsatz kann die Verteilung der passiven Rückkopplungskräfte entlang des Dichtungsrings passend zu den Anforderungen einer speziellen Anwendung eingestellt werden. Weitere Ausführungsformen können mehr oder weniger Zähne mit identischen Spalten enthalten. Wie in 12 veranschaulicht, nehmen die Spalte der Zähne innerhalb des Teilsatzes 232 im Verlauf von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36 nicht zu, wodurch passive Rückkopplungskräfte erzeugt werden.
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13 zeigt eine grafische Darstellung 250, die Spalte als Funktion der axialen Position von zwei Teilsätzen von Zähnen veranschaulicht. In der veranschaulichten Ausführungsform enthalten der erste Teilsatz 252 und der zweite Teilsatz 254 jeweils vier Zähne. Der erste Teilsatz 252 enthält einen ersten Spalt 256, einen zweiten Spalt 258, einen dritten Spalt 260 und einen vierten Spalt 262, die sich alle voneinander unterscheiden. Der zweite Teilsatz 254 enthält einen ersten Spalt 264, einen zweiten Spalt 266, einen dritten Spalt 268 und einen vierten Spalt 269, die sich ebenfalls alle voneinander unterscheiden. In anderen Ausführungsformen können der erste und der zweite Teilsatz 252 und 254 Zähne mit gleichen Höhen enthalten, wie dies in den 8–12 veranschaulicht ist. Wie in 13 veranschaulicht, nehmen die Spalte der Zähne in dem ersten Teilsatz 252 zunehmend ab im Verlauf von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36, wodurch passive Rückkopplungskräfte innerhalb des Teilsatzes 252 erzeugt werden. Außerdem nehmen die Spalte der Zähne des zweiten Teilsatzes 254 zunehmend ab im Verlauf von der stromaufwärtigen Seite 34 zu der stromabwärtigen Seite 36, wodurch passive Rückkopplungskräfte innerhalb des Teilsatzes 254 erzeugt werden. Andere Ausführungsformen können mehr als zwei Teilsätze enthalten, wobei passive Rückkopplungskräfte in wenigstens einem Teilsatz der Dichtungsanordnung erzeugt werden. Außerdem kann die Verwendung von zwei oder mehreren Teilsätzen einen mehr gewundenen Pfad für eine Leckströmung durch die Dichtungsanordnung erzeugen, weil jeder Teilsatz Zähne mit progressiv abnehmenden Spalten enthalten kann. Schließlich kann der Abstand zwischen Teilsätzen gleichmäßig oder ungleichmäßig sein.
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14 zeigt eine grafische Darstellung 270, die Simulationsergebnisse der Druckverteilung unter den Dichtungsringzähnen als Funktion des letzten Zahnspaltes oder Spitzenspaltes veranschaulicht. In der Grafik stellt die Abszisse 162 die axiale Position eines Zahns in Zentimetern dar, und die Ordinate 274 stellt den Druck unter dem Zahn in Megapascal für einen stromaufwärtigen Druck von 12,8 MPa und einen stromabwärtigen Druck von 10,3 MPa dar. Die Kurven an dieser Grafik werden als das axiale Druckprofil bezeichnet. Es sind drei Fälle veranschaulicht: Der erste Fall 276 zeigt die Druckverteilung, wenn der letzte Spaltabstand 125 Mikrometer beträgt, der zweite Fall 278 repräsentiert einen Spalt von 380 Mikrometern, und der letzte Fall 280 zeigt die Ergebnisse bei einem Spalt von 635 Mikrometern. Diese drei Fälle werden in der Simulation verwendet, um die Veränderung des Druckprofils (und die resultierende Kraft auf den Dichtungsring) anzuzeigen, wenn sich der Dichtungsring radial nach innen oder nach außen bewegt. In jedem Fall ist ein Teilsatz von fünf Zähnen enthalten, wobei die Zähne für die drei Fälle an den gleichen Stellen entlang der axialen Richtung angeordnet sind und die Weite der Dichtung gleich ist. Der Abstand zwischen allen Zähnen nimmt im Verlauf von links nach rechts entlang der Abszisse 162 zu, was den Abstand ungleichmäßig macht. Außerdem ist die Zahnspaltprogression für jeden Fall die gleiche, nämlich ungefähr gleich 760 Mikrometern, und die Progression tritt linear auf. In anderen Worten und unter Verwendung des Falls 276 als ein Beispiel würden die Spalte im Verlauf von dem stromaufwärtigen Zahn zu dem stromabwärtigen Zahn 890, 699, 508, 318 und 125 Mikrometer betragen. Entsprechend würde der Spalt des stromaufwärtigen Zahns für den Fall 278 1140 Mikrometer und für den Fall 280 1395 Mikrometer betragen. In der veranschaulichten Grafik ist der Druck unter jedem jeweiligen Zahn in dem Fall 276 höher als in den Fällen 278 und 280. Somit ändert sich das Druckprofil, wenn sich der Spalt unter dem letzten Zahn aufgrund der Veränderung des Spitzenspalts verändert, wie dies in 14 veranschaulicht ist.
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15 zeigt eine grafische Darstellung 290, die das Kräftegleichgewicht in der Radialrichtung für den Dichtungsring 46 veranschaulicht; wobei Schließ- und Öffnungskräfte, die auf den Dichtungsring einwirken, mit 300 bzw. 302 bezeichnet sind. Es wirken zwei unterschiedliche Kräfte auf einen Dichtungsring ein. Erstens sind hydrodynamische Kräfte Hebekräfte, die aufgrund der Rotation des Rotors an dem Dichtungsring erzeugt werden. Zweitens sind hydrostatische Kräfte Kräfte, die aufgrund des Differenzdrucks über der Dichtungsanordnung oder irgendeines resultierenden Leckstroms an dem Dichtungsring erzeugt werden. Die hydrodynamischen Kräfte sind im Vergleich zu den hydrostatischen Kräften unbedeutend. Die passive Rückkopplung der offenbarten Ausführungsformen ist konfiguriert, um hydrostatische Kräfte zu beeinflussen, was zu einer robusteren Konstruktion führt. Zurückkehrend zu 15 repräsentieren längere Pfeile einen größeren Druck. In einer Ausführungsform kann der Abstand 292 von der stromaufwärtigen Seite 34 zu dem Beginn des Spalts für die Platte zwischen ungefähr 2,5 cm und 5 cm betragen. Ähnlich kann der Abstand 296 von dem Spalt zu der stromabwärtigen Seite 36 ebenfalls zwischen ungefähr 2,5 cm und 5 cm betragen. Die Weite des Spalts 294 kann zwischen ungefähr 1,2 cm und 4,0 cm betragen. Die Abstände 292, 294 und 296 können alle konfiguriert sein, um die Schließkraft 300 zu verändern. Der Abstand 298 zwischen allen Zähnen kann gleichmäßig oder ungleichmäßig sein. Die Pfeile, die veranschaulicht sind, wie sie nach unten zeigen und auf die Oberseite des Dichtungsrings einwirken, repräsentieren die Schließkraft 300. Entsprechend repräsentieren die aufwärts zeigenden und auf die Unterseite des Dichtungsrings einwirkenden Pfeile die Öffnungskraft 302. In der veranschaulichten Grafik werden drei unterschiedliche Druckbeträge als Schließkräfte 300 ausgeübt. Erstens wird ein hoher Druck 304 auf die stromaufwärtigen Abschnitte des Dichtungsrings, die dem stromaufwärtigen Abstand 292 entsprechen, ausgeübt. Zweitens wird ein mittlerer Druck 306 auf den Spaltabschnitt des Dichtungsrings, der dem Spaltabstand 294 entspricht, ausgeübt. Schließlich wird ein geringer Druck 308 auf die stromabwärtigen Abschnitte des Dichtungsrings, die dem stromabwärtigen Abstand 296 entsprechen, ausgeübt. Der Druck und somit die Schließkraft in jedem Abschnitt sind durch die radiale Bewegung des Dichtungsrings unbeeinflusst, wie dies dadurch dargestellt ist, dass die Pfeile die gleiche Höhe haben.
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Werden die Öffnungskräfte 302 betrachtet, so entspricht der Druck auf der stromaufwärtigen Seite 304 der Hochdruckschließkraft, und der Druck auf der stromabwärtigen Seite 308 entspricht der Niederdruckschließkraft. Die Öffnungskräfte 302 nehmen im Verlauf von der stromaufwärtigen zu der stromabwärtigen Seite in Abhängigkeit von der Verringerung des Zahnspalts progressiv ab. Die Fläche unter dem Druckprofil in 15 entspricht der Öffnungskraft 302 an dem Dichtungsring 46. Für einen kleinen Spitzenspalt, wie im Fall 276, ist die Fläche unter dem Druckprofil größer als die Fläche unter dem Druckprofil für einen großen Spitzenspalt, wie im Fall 280. Somit ist die Öffnungskraft für einen kleinen Spitzenspalt größer und für einen großen Spitzenspalt kleiner. Große Spitzenspalte haben negative oder nach innen gerichtete Nettoradialkräfte zur Folge, während kleine Spitzenspalte positive oder nach außen gerichtete Nettoradialkräfte zur Folge haben. Der Spalt, bei dem die Schließ- und die Öffnungskraft gleich sind, repräsentiert den Gleichgewichtsspalt. Der Gleichgewichtsspalt wird durch eine Anzahl von Variablen beeinflusst, zu denen das Spaltprogressionsprofil (z. B. linear, quadratisch, parabelförmig und dergleichen), der Abstand zwischen den Zähnen, die Weiten 292, 294 und 296 der Dichtungsringabschnitte und das Verhältnis des vorderen Spalts zu dem hinteren Spalt gehören. Wenn mehr als ein einziger Teilsatz vorhanden ist, kann der Abstand zwischen Teilsätzen eine zusätzliche Variable darstellen, die den Gleichgewichtsspalt beeinflusst. Diese variablen können beeinflusst werden, um einen gewünschten Gleichgewichtsspalt zu erreichen, bei dem die Leckage reduziert ist.
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16 zeigt eine grafische Darstellung 320 von Simulationsergebnissen, die das Konzept eines Gleichgewichtsspalts veranschaulichen. In der Grafik repräsentiert die Abszisse 322 den letzten Zahnspalt in Mikrometern, während die Ordinate 324 die Nettoradialkraft in Newton repräsentiert. Hier entspricht eine positive Radialkraft einer nach außen gerichteten Radialkraft, die den Dichtungsring veranlasst zu öffnen, und eine negative Radialkraft entspricht einer nach innen gerichteten Radialkraft, die den Dichtungsring zum Schließen veranlasst. Die Kurve 326 zeigt die Veränderung der Nettoradialkraft als Funktion des letzten Zahnspalts. Der Gleichgewichtsspalt 328 liegt vor, wenn die Nettoradialkraft Null ist, was keine Bewegung des Dichtungsrings zur Folge hat. Bei dieser Simulation tritt der Gleichgewichtsspalt 328 bei ungefähr 340 Mikrometern auf. Die Beziehung zwischen dem Gleichgewichtsspalt und dem Druckverhältnis ist hier nachstehend im Zusammenhang mit 17 erläutert.
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17 zeigt eine grafische Darstellung 340 von Simulationsergebnissen, die veranschaulichen, wie der Gleichgewichtsspalt von dem Druckverhältnis zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Druck abhängig ist. In der Grafik repräsentiert die Abszisse 322 den letzten Zahnabstand in Mikrometern, während die Ordinate 324 die Nettoradialkraft in Newton repräsentiert. Es sind drei Fälle veranschaulicht. Der erste Fall 346 zeigt die Radialkräfte, wenn der stromaufwärtige Druck hoch ist, der zweite Fall 348 stellt die Radialkräfte dar, wenn sich der Druck in der Nähe eines Zwischenwertes befindet, und der letzte Fall 350 zeigt die Ergebnisse bei einem geringen Druck. In allen drei Fällen ist das Verhältnis des stromaufwärtigen Drucks zu dem stromabwärtigen Druck das gleiche; der einzige Unterschied für jeden Fall ist die Druckdifferenz. Somit zeigen die Simulationsergebnisse dieser drei Fälle, dass für einen bestimmten Wert des Verhältnisses zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Druck die Dichtungsanordnung unabhängig von dem Wert der Drücke in etwa den gleichen Wert des Gleichgewichtsspaltes haben wird.
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Deshalb liegt ein Vorteil der vorgeschlagenen Dichtung darin, dass selbst bei Vorliegen stärkerer Rotorübergangsvorgänge ein kleiner Spalt aufrechterhalten wird, was eine kleinere Leckage und einen höheren Wirkungsgrad zur Folge hat. Dies erfolgt, weil eine passive Rückkopplung radial nach außen gerichtete Kräfte auf den Dichtungsring, wenn der Spalt klein ist, und radial nach innen gerichtete Kräfte hervorruft, wenn der Spalt groß ist. Dies zeigt das Phänomen der passiven Rückkopplung, die die einen progressiven Spalt aufweisenden Dichtungsanordnungen zeigen, wie sie bei den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind. Eine derartige passive Rückkopplung funktioniert ohne irgendwelche zusätzlichen Sensoren oder Aktuatoren, die in der rauen Umgebung einer Turbine oder eines Verdichters ausfallen oder unzuverlässig arbeiten können. Wenn sich die Druckbedingungen ändern, passt sich der Gleichgewichtsspalt auf eine derartige Weise an, dass die Gefahr von Turbinen- oder Verdichterbeschädigungen und Leckagepfaden reduziert wird.
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Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine Turbomaschine, die wenigstens eine bogenförmige Platte 44, ein Vorspannelement 48 und einen Dichtungsring 46 enthält. Außerdem enthält die Dichtungsanordnung mehrere bogenförmige Zähne 54, die zwischen dem Dichtungsring 46 und dem Rotor 20 angeordnet sind. Die mehreren bogenförmigen Zähne 54 enthalten wenigstens einen Teilsatz bogenförmiger Zähne 54. Der Spalt wenigstens eines der bogenförmigen Zähne 54 unterscheidet sich von den Spalten der restlichen bogenförmigen Zähne 54. Die Spalte der bogenförmigen Zähne 54 des wenigstens einen Teilsatzes nehmen im Verlauf von einer stromaufwärtigen Seite 34 zu einer stromabwärtigen Seite 36 der Turbomaschine nicht progressiv zu.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbinensystem
- 12
- Verdichterabschnitt
- 14
- Brennkammerabschnitt
- 16
- Turbinenabschnitt
- 18
- stationäres Gehäuse
- 20
- umlaufendes Element
- 22
- Achse
- 24
- Laufschaufeln
- 26
- stationäre Schaufeln
- 28
- Stelle zwischen ummantelter Laufschaufel und stationärem Gehäuse
- 30
- Stelle zwischen umlaufendem Element und stationärer Schaufel
- 32
- Endpackungsdichtungsstelle
- 34
- stromaufwärtige Seite
- 36
- stromabwärtige Seite
- 40
- axiale Achse
- 42
- radiale Achse
- 44
- bogenförmige Platte
- 46
- bogenförmiger Dichtungsring
- 47
- Spalt
- 48
- Vorspannelemente
- 50
- ein Ende der Beugungseinrichtung
- 52
- ein anderes Ende der Beugungseinrichtung
- 54
- bogenförmige Zähne
- 60
- Dichtungsanordnung mit Zähnen an dem Dichtungsring
- 66
- stromaufwärtige Beugungseinrichtungen
- 68
- stromabwärtige Beugungseinrichtungen
- 70
- Zahn auf der stromaufwärtigen Seite
- 72
- Zahn auf der stromabwärtigen Seite
- 74
- vorderer Spalt
- 76
- hinterer Spalt
- 78
- Tasche
- 79
- Taschenhöhe
- 80
- Leckagepfad zwischen bogenförmiger Platte und bogenförmigem Dichtungsring
- 82
- stromaufwärtiger Spitzenspalt
- 83
- Spaltprogression
- 84
- stromabwärtiger Spitzenspalt
- 86
- Abstand zwischen benachbarten Zähnen des Packungsrings
- 87
- Abstand zwischen benachbarten Zähnen des umlaufenden Elementes
- 88
- Weite der Labyrinthdichtung
- 90
- Leckagepfad zwischen dem bogenförmigen Dichtungsring und dem umlaufenden Element
- 92
- Abstand zwischen dem Dichtungsring und der Platte
- 94
- Weite der bogenförmigen Platte
- 100
- Dichtungsanordnung mit erhabenen Ansätzen
- 102
- erhabene Ansätze
- 110
- Dichtungsanordnung mit Zähnen am umlaufenden Element
- 112
- abreibbare Beschichtung
- 120
- Dichtungsanordnung mit mehreren Platten
- 122
- stromaufwärtige Platte
- 124
- stromabwärtige Platte
- 126
- erster Spalt
- 128
- zweiter Spalt
- 130
- dritter Spalt
- 132
- vierter Spalt
- 140
- Dichtungsanordnung mit Zähnen am bogenförmigen Dichtungsring und umlaufenden Element
- 142
- stromaufwärtiger Dichtungsringzahn
- 144
- stromabwärtiger Dichtungsringzahn
- 146
- stromaufwärtiger Zahn des umlaufenden Elementes
- 148
- stromabwärtiger Zahn des umlaufenden Elementes
- 150
- Weite der Labyrinthdichtung mit ineinander greifenden Zähnen
- 160
- Grafik des Teilsatzes 162
- 162
- Teilsatz mit acht Zähnen
- 164
- Abszisse (x-Achse)
- 166
- Ordinate (y-Achse)
- 168
- erster Spalt
- 170
- zweiter Spalt
- 172
- dritter Spalt
- 173
- Zahn
- 174
- nächste drei Spalte
- 176
- nächste zwei Spalte
- 180
- Grafik des Teilsatzes 182
- 182
- anderer Teilsatz mit acht Zähnen
- 184
- erste zwei Spalte
- 186
- zweite zwei Spalte
- 188
- dritte zwei Spalte
- 190
- vierte zwei Spalte
- 200
- Grafik des Teilsatzes 202
- 202
- weiterer Teilsatz mit acht Zähnen
- 204
- erste vier Spalte
- 206
- zweite vier Spalte
- 210
- Grafik des Teilsatzes 212
- 212
- noch weiterer Teilsatz mit acht Zähnen
- 214
- erste zwei Spalte
- 216
- nächste vier Spalte
- 218
- letzte zwei Spalte
- 230
- Grafik des Teilsatzes 232
- 232
- noch weiterer Teilsatz mit acht Zähnen
- 234
- erste vier Spalte
- 236
- nächste zwei Spalte
- 238
- letzte zwei Spalte
- 250
- Grafik des Teilsatzes 252
- 252
- erster Teilsatz
- 254
- zweiter Teilsatz
- 256
- erster Spalt des ersten Teilsatzes
- 258
- zweiter Spalt des ersten Teilsatzes
- 260
- dritter Spalt des ersten Teilsatzes
- 262
- vierter Spalt des ersten Teilsatzes
- 264
- erster Spalt des zweiten Teilsatzes
- 266
- zweiter Spalt des zweiten Teilsatzes
- 268
- dritter Spalt des zweiten Teilsatzes
- 269
- vierter Spalt des zweiten Teilsatzes
- 270
- Grafik zur Veranschaulichung der Druckverteilung unter den Dichtungsringzähnen
- 274
- Ordinate-Druck unter dem Zahn
- 276
- erster Fall
- 278
- zweiter Fall
- 280
- letzter Fall
- 290
- Grafik zur Veranschaulichung des Kräftegleichgewichts in Radialrichtung für den Dichtungsring
- 292
- Abstand von der stromaufwärtigen Seite zum Anfang des Spalts
- 294
- Weite des Spalts
- 296
- Abstand vom Spalt zur stromabwärtigen Seite
- 298
- Abstand zwischen allen Zähnen
- 300
- Schließkräfte
- 302
- Öffnungskräfte
- 304
- hoher Druck
- 306
- mittlerer Druck
- 308
- niedriger Druck
- 320
- Grafik zur Veranschaulichung des Konzeptes des Gleichgewichtsspaltes
- 322
- Abszisse- letzter Zahnspalt
- 324
- Ordinate-Nettoradialkraft
- 326
- Kurve zur Veranschaulichung der Veränderung der Nettoradialkraft als Funktion des letzten Zahnspalts
- 328
- Gleichgewichtsspalt
- 340
- Grafik zur Veranschaulichung, wie der Gleichgewichtsspalt von dem Druckverhältnis abhängt
- 346
- erster Fall
- 348
- zweiter Fall
- 350
- letzter Fall