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Dampfturbine mit selbsttätig wirkendt'm Ausgleiehkolben.
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Zentrifugalkräfte und Wärme unabhängig zu machen. Die Güte einer solchen Dichtung hängt von der Grösse des axialen Spaltes zwischen festen und beweglichen Teilen ab. Dieser Abstand wird grundsätzlich durch ein Axiallager bestimmt, das die axiale Lage der Welle gegenüber dem festen Teil festlegt. Da es in einer Dampfturbine bei verschiedenen Betriebszuständen grosse Temperaturunterschiede zwischen Welle und Gehäuse geben kann, muss das axiale Dichtungsspiel so gross sein, dass auch alle Dehnungsunterschiede ohne axiales Streifen in den Dichtungen auftreten können. Wegen dieser axialen Wärmedehnung entstehen bei grossen Maschinen oder bei hohen Temperaturen unerwünscht grosse Axialspiele und entsprechende Dampfverluste.
Dies trifft insbesondere für die Ausgleichkolben zu, die in Reaktionsturbinen zum Ausgleich des Axialschubes der Beschauflung enthalten sind. Es ist bekannt, diese Verluste dadurch zu verringern, dass man durch einen sogenannten selbsttätigen Druckausgleich die Welle bei jedem Erwärmungszustand möglichst nahe an diese Dichtungen bringt, wobei die axiale Lage der Welle nicht mehr vom Drucklager, sondern von den durch die Dichtung selbst beeinflussten Drücken auf die Welle oder Dichtungkolben bestimmt wird. In diesem Falle muss das Drucklager die durch den Ausgleich und die Dichtung bestimmten Bewegungen zulassen und höchstens die Endlagen der Welle begrenzen, um ein Streifen zu verhüten.
Die Durchführung dieser Aufgabe bietet aber erhebliche Schwierigkeiten, verursacht durch die Dehnungsunterschiede zwischen Welle und Gehäuse, sowie durch Pendelungen, die an der Welle in axialer Richtung auftreten können, wie im nachfolgenden näher erläutert sei.
In Fig. 1 bedeutet a den Läufer und b das Gehäuse der Turbine ; c ist beispielsweise ein Ausgleichkolben zum Ausgleich des auf die Beschauflung der Welle a wirkenden Axialschubes, d sind die Dichtungen am Ausgleichkolben, die in Fig. 2 mit dem zugehörigen Kolbenteil in vergrössertem Massstab dargestellt sind. Der Dampf strömt durch die Dichtungsspalte zwischen den Dichtungszacken d und den Wellenkämmen e hindurch und durch die Rohrleitung f in eine tiefere Stufe der Turbine oder zum Kondensator. In dieser Leitung ist ein Regelorgan g (Ventil oder Blende) eingesetzt, dass den Durchfluss der Dampfmenge zu regeln gestattet. Dieser Ausgleich wirkt in folgender Weise selbsttätig : Besteht eine unausgeglichene Kraft in der Richtung der Dampfströmung, so verschiebt sich die Welle gegen die Dichtungsstreifen, z.
B. aus der ausgezogenen Stellung der Fig. 2 in die gestrichelte Stellung. Dadurch werden die Spalte kleiner, die Menge des Undichtheitsdampfes nimmt ab und der Druck im Raum h hinter dem Ausgleichkolben sinkt, bis die Axialkraft ausgeglichen ist. Bei einer unausgeglichenen Kraft in entgegengesetzter Richtung öffnen sich die Dichtungen, der Druck im Raum h nimmt zu, weil der Abfluss des Dampfes durch das Ventil g gedrosselt ist, und das Gleichgewicht wird wieder hergestellt. Dieser Druckausgleich kann nur wirken, solange ein Druckgefälle in der Turbine vorhanden ist, d. h. sofern die Turbine eine gewisse Belastung hat. Im Leerlauf, wo praktisch die ganze Turbine unter Vakuum steht, sind die Ausgleichkräfte so gering, dass die Welle axial nicht mehr gehalten ist und durch Zufälligkeiten irgendeine Lage einnehmen
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kann.
Das Drucklager sollte nun so eingestellt werden, dass trotz Fehlens der Axialeinstellung durch die Druckkräfte die Wellekämme e nicht auf die Dichtungen d auflaufen. Hier entstehen nun infolge der verschiedenen Wärmedehnungen von Welle und Gehäuse, wie bereits erwähnt, erhebliche Schwierigkeiten. Im kalten Zustand wird z. B. das Drucklager i so eingestellt, dass bei Anliegen des Wellenkammes 7c, d. h. Spiel 0 bei 1, das Spiel in der Labyrinthdichtung zwischen e und d ebenfalls sehr klein ist, aber doch so gross, dass ein Streifen der Dichtungen nicht möglich ist. Im Betrieb wird nun die Welle etwas länger als der Zylinder. Die Druckkräfte an der Welle halten nun das Spiel in der Dichtung zwischen e und cl weiter sehr klein, z.
B. 1/10 mm, so dass der Kamm k des Drucklagers wegen der verlängerten Welle nach links geht und bei I Spiel entsteht. Die Maschine läuft so mit vollständig entlastetem Drucklager. Stellt man nun die Maschine ab, so fallen plötzlich die richtunggebenden Druckkräfte weg und die Welle kann nach rechts laufen und wird dann die Dichtungen abschleifen, bis der Kamm lc im Drucklager wieder anliegt. Fährt man die Maschine das nächste Mal mit den abgeschliffenen Dichtungen wieder an, so ist das Spiel zwischen e und d um den Unter- schied der Wellendehnungen zu gross.
(Es ist auch denkbar, dass man dieses grosse Spiel durch entsprechende Stellung des Drucklagers i von Anfang an eingestellt hätte. ) Dieses grosse Spiel hat aber zur Folge, dass der Druck im Raum t sehr gross wird und die Wirkung des Kolbens und damit der Ausgleich der Maschine dahinfällt. Eine Verschiebung der Welle zur selbsttätigen Aufhebung des Axialschubes ist nicht möglich, weil der Kamm 7c im Drucklager anliegt und eine Verschiebung der Welle verhindert. Das Drucklager wird nun den vollen Schub aufnehmen müssen, soweit der Ausgleich durch zu grosses Spiel in den Dichtungen gestört ist.
Das Drucklager wird sich unter diesem grossen Druck abnutzen, und die Welle wird sich nach rechts bewegen, bis die Spiele in der Dichtung wieder abnehmen und der selbsttätige Ausgleich wiederhergestellt ist. Nun ist aber der Zustand der Maschine wieder wie am Anfang, und es wird beim nächsten Abstellen wieder ein Abschleifen der Dichtungen und beim nächsten Betrieb wieder eine Abnutzung des Drucklagers eintreten usw.
Eine andere Schwierigkeit beruht darin, dass die Welle im Betrieb, sofern sie wie gewollt, vom Kammlager nicht gehalten ist, in axiale Pendelungen gerät, wobei starke axiale Stösse entstehen und die Gefahr des Streifens der Dichtungen besteht. Diese Pendelungen rühren davon her, dass bei einer Verschiebnng der Welle, z. B. nach links, der Gegendruck im Raum nicht sofort entsteht, weil dieser Raum zuerst aufgefüllt werden muss. Inzwischen erhält die Welle eine gewisse axiale Geschwindigkeit und läuft infolge der Massenwirkung weiter, als dem Gleichgewichtszustand entspricht. Hierauf wird die Welle wieder zurückgestossen und geht auch nach der andern Seite über die Gleichgewichtslage hinaus, weil sich der Raum h nicht rasch genug entleeren kann.
Die beiden oben genannten Schwierigkeiten werden gemäss der Erfindung dadurch vermieden, dass die Welle durch äussere Kräfte, z. B. mittels Federn, Gewichte oder Öldruckkolben, von den Dichtungen weggeschoben wird, um ein Streifen zu verhüten, sobald die auf die Welle wirkenden Dampfdrücke bei kleiner Last der Turbine unter ein Mass gesunken sind, bei dem die Welle axial nicht mehr in bestimmter Lage gehalten würde. Als beispielsweise vorteilhafte Ausführung ist hier ein besonders ausgebildetes Drucklager gewählt.
Das Streifen der Dichtungen bei Abwesenheit von richtenden Druckkräften bei Wärmedehnungen der Welle wird dadurch vermieden, dass die in sich geschlossene oder unterteilte Tragfläche ni des Drucklagers i nicht fest ist, wie in Fig. 1 dargestellt, sondern axial verschiebbar, wie in Fig. 3 gezeichnet. Die hier diese Tragfläche bildenden Tragkörper t, im folgenden auch Abhebetragkörper genannt, sind durch starke Federn n abgestützt, die die Welle im gezeichneten Beispiel nach links, d. h. von den Dichtungsstreifen weg drücken, sobald z. R bei kleiner Belastung die Druckkräfte, die auf den Ausgleichkolben c wirken, ungenügend geworden sind.
Auf diese Weise wird die Maschine auch mit grossem Spiel zwischen den Kämmen e und den Dichtungsstreifen d anlaufen. Erst bei einer gewissen Mindestbelastung, wenn der selbsttätige Ausgleich die Welle nach rechts drückt, werden die Federn n zusammengedrückt, bis die Spiele zwischen e und d richtig sind. Auf der anderen Seite des Drucklagers befindet sich ein Haltetragkörper o (einteilig oder mehrteilig, der verhindert, dass die Welle allzuweit nach links geht. Er steht so weit nach links, dass auch bei grösster Dehnung der Welle noch ein Abheben von seiner Tragfläche und ein selbsttätiger Ausgleich möglich ist.
Bei Abstellen der Turbine, sobald die Drücke in der Turbine so klein geworden sind, dass die richtungsgebenden Kräfte wegfallen und eine beliebige Stellung der Welle und ein Schleifen der Dichtungen zwischen e und d eintreten kann, wird die Welle durch eine äussere Kraft (Federn n) von den Dichtungen weggeschoben. Diese Bewegung durch die Federn geschieht entgegengesetzt der Bewegungsrichtung, welche durch die Abkühlung erfolgt. Diese Vergrösserung der Spiele durch eine äussere Kraft hat nichts zu tun mit einer Vergrösserung der Spiele durch Abkühlen und Verkürzen von Wellen innerhalb einer Stopfbüchse.
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Axiale Pendelungen der Welle werden dadurch vermieden, dass die Bewegungen der Welle, z. B. durch eine Öldämpfungsvorrichtung, gedämpft werden. In Fig. 3 ist beispielsweise der Abhebetragkörper t als Dämpfungseinrichtung ausgebildet, indem er bei Bewegungen in axialer Richtung Öl aus dem Raum p verdrängen muss. Dabei ist zur Vervollkommung der Dämpferwirkung ein Rückschlagventil q angebracht, durch welches Öl aus dem Raum r einströmen kann, wenn die Dichtungfläche w sich nach links bewegt. Beim Rückgang dieser Tragkürper t schliesst sich das Ventil q, so dass die volle Dämpfungskraft auf die Tragkörper wirkt.
Zur Erhöhung der dämpfenden Wirkung kann auch auf der andern Seite des Lagers statt des festen Haltetragkorpers o, ein heweglicler IIaltetragkorper s (ein-oder mehrteilig) nach Fig. 4 angeordnet werden, dessen Bewegungen ebenfalls in einem Ölraum p gedämpft werden. Dieser zweite Tragkörper wird z. B. durch Federn 11 dauernd an den Wellenkamm angedrückt. Seine Bewegung nach links ist so zu begrenzen, dass die Welle nie in unzulässiger Weise nach links geht.
Es ist selbstverständlich, dass die Federn n unter den Abhebetragkörpern wesentlich stärker sein müssen, als die Federn If unter den Haltetragkurpern, damit die Welle
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gebenden Dampfdrücke in der Turbine fehlen.
Im übrigen können sämtliche oder einzelne Tragflächen nach Art der Segment-Drucklager ausgebildet sein.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Dampfturbine mit selbsttätig wirkendem Ausgleichkolben zur Ausgleichung eines axialen Schubes der Beschauflung, welcher Kolben sich durch die auf ihn wirkenden Drücke so nahe an die Dichtungen heranbewegt, bis die dadurch erzeugten Veränderungen des Druckes nach dem Kolben einen Ausgleich der Kräfte herbeiführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle durch äussere Kräfte, z. B. mittels Federn, Gewichte oder Öldruckkolben, von den Dichtungen weggeschoben wird, um ein Streifen zu verhüten, sobald die auf die Welle wirkenden Dampfdrücke bei kleiner Last der Turbine unter ein Mass gesunken sind, bei dem die Welle axial nicht mehr in bestimmter Lage gehalten würde.