AT391918B - Dampf- oder gasdurchstroemte turbine oder verdichter mit einem um eine laengsachse drehenden beschaufelten rotor - Google Patents

Description

Nr. 391 918

Die Erfindung betrifft eine dampf- oder gasdurchströmte Turbine oder einen Verdichter mit einem um eine Längsachse drehenden beschaufeiten Rotor, dessen Schaufelkränze bei einer oder mehreren Stufen eine mitrotierende Außenbegrenzung mit gleichzeitiger Dichtfunktion in Form eines Deckbandes o. dgl. besitzen. Die Maschine weist desgleichen einen Stator auf und ist mit ein- oder mehrkammerigen berührungsfreien Dichtungen in Spalträumen zwischen Rotor und Stator ausgerüstet, wobei die Leckage-Durchströmungsrichtung axial ist und die engsten Leckage-Durchtrittsflächen in Ebenen senkrecht zur Turbinen- bzw. Verdichterachse entstehen. Derartige Maschinen sind bekannt und beispielsweise in der DE-PS 650 759 beschrieben. Allerdings sind aus dieser Druckschrift keine Anweisungen bekannt, wie die strömungsführenden Bauteile zur Unterdrückung von selbsterregten Eigenschwingungen jeweils im Spalt anzuordnen sind.

Gleiches gilt auch für die DE-PS 490 276, in der eine Labyrinth-Dichtung für Dampf- und Gasturbinen beschrieben ist, deren Dichtungsringe in der Umfangsrichtung eine von einer Geraden abweichende Form, z. B. Zacken- oder Wellenform, haben. Zweck dieser Einrichtung ist es, die ständige Berührung der Dichtungen mit ein- und demselben Punkt des stehenden oder sich drehenden Teiles zu vermeiden. Die Unterdrückung von Eigenschwingungen ist weder beabsichtigt noch wird sie erreicht.

Aus dem praktischen Betrieb dampf- oder gasdurchströmter Turbinen bzw. Verdichter ist es des weiteren schon seit langem bekannt, daß bei bestimmten Betriebszuständen selbsterregte Schwingungen des Rotors auftreten können. Das äußere Merkmal solcher selbsterregter Eigenschwingungen ist, daß sie plötzlich bei einer bestimmten Drehzahl oder bei einem bestimmten Belastungszustand der vorher völlig ruhig laufenden Maschine einsetzen und ebenso plötzlich verschwinden, wenn man unter die kritische Grenze heruntergeht. Die Frequenz der einsetzenden Schwingungen entspricht stets der ersten kritischen Drehzahl des Läufers.

Unter der "dynamischen Leistungsgrenze" im vorstehenden Sinne wird deshalb diejenige Grenzleistung verstanden, ab welcher der Läufer nicht mehr stabil läuft, wo also - physikalisch gesehen - bei Erregung einer Eigenschwingung der Turbinen- oder Verdichterwelle durch kleine Störungen selbsterregte Schwingungen sich zu sehr großen Amplituden aufschaukeln.

Da eine Laststeigerung der Maschinenanlage über die erwähnte Grenzleistung hinaus ohne Gefährdung wesentlicher Teile, wie insbesondere der Lager, der Dichtungen und des Läufers, nicht möglich ist, ist es bekannt, zur Erzielung einer ausreichenden Grenzleistung die Läuferwellen entsprechend stark zu dimensionieren. Dies führt jedoch manchmal zu sehr starken Läufern und damit zu großen Aufwendungen an Material. Aus der DE-OS 2 111 973 ist es ferner bekannt, zur Vergrößerung der Laufstabilität ein Hilfslager anzuordnen; eine Maßnahme, die ebenfalls mit hohem baulichen Aufwand verbunden ist. Für die erwähnten selbsterregten Schwingungen eines Läufers oder Wellenstranges von Turbinen sind bisher eine ganze Reihe von möglichen Ursachen bekanntgeworden, u. a. hydrodynamische Selbsterregung der Wellenzapfen im Schmierölfilm der Traglager; Anfachung durch elastische Hysteresis und Schrumpfsitzreibung (bei Läufern mit aufgeschrumpften bzw. aufgesetzten Radscheiben); subharmonische Resonanz durch Nichtlinearitäten in Feder- oder Dämpfungskräften; Anfachung durch Biegungskomponenten des Wellendrehmomentes; und dampfseitige Anfachung durch die Spaltströmungen in der Turbine. Dabei können auch mehrere Ursachen gleichzeitig vorliegen.

Die vorerwähnten Ursachen sind in der Literatur bereits abgehandelt worden. Lediglich auf den Fall der Anfachung durch Spaltströmungen in der Turbine wird im folgenden näher eingegangen.

Im Zusammenhang mit der dampfseitigen Anfachung durch Spaltströmungen wurde bisher nur die Erregung aus dem Spaltverlust bei der Konzeption der Turbinen berücksichtigt. Für diesen im Schrifttum auch mit Spalterregung bezeichneten Anregungsmechanismus ist folgendes wesentlich: Bei einer radialen Schwingungsauslenkung des Läufers aus der zentralen Lage entstehen als Folge der unterschiedlichen radialen Spaltweiten an den Schaufeln unterschiedliche Umfangskräfte am Laufradumfang, die sich zu einer resultierenden Kraft addieren, die auf der Seite der Schwingungsauslenkung liegt und senkrecht zu dieser gerichtet ist Befindet sich der Läufer in einem zirkumpolaren Schwingungszustand, so eilt die resultierende Kraft in ihrem Richtungssinn der Schwingungs-Auslenkung des Läufers genau um 90° voraus. Sie wird im Schrifttum überwiegend als Querkraft bezeichnet da sie senkrecht auf der momentanen Auslenkungsrichtung steht und kann schwingungsanregend wirken.

Es ist ferner bekannt daß die Spaltströme in Dichtungen eine der Spalterregung verwandte Erregung erzeugen können. Ihren Einfluß auf die Stabilitätsgrenze hat man jedoch bisher für gering gehalten.

Indessen haben Versuche gezeigt daß auch aus dem Druckverlauf der Strömung in berührungsfreien Dichtungen von Turbinen nicht unerhebliche eigenschwingungsanregende Kräfte zu erwarten sind, wobei auch echte Labyrinthdichtungen zur Anwendung kamen und die Intensität der Erregung aus der Druckverteilung maximal bis zum Zweifachen von jener aus dem Spaltverlust betrug.

Die Druckverteilung in exzentrischen Dichtungen ist unter den Voraussetzungen drallfreier Zuströmung und nicht bewegter Wandungen bekannt und erforscht. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist bei dieser - von symmetrischen Ausgleichsströmungen abgesehen - rein axial durchströmten Dichtung die Druckverteilung symmetrisch zur engsten Stelle. Es tritt zwar eine, in diesem Zusammenhang weniger interessante Rückstellkraft (R*) auf, aber keine Querkraft (Q) senkrecht zur Auslenkungsrichtung, und somit auch keine ausschlagabhängige schwingungsanregende Kraft

Daraus wird gefolgert, daß die Ursache der tatsächlich - durch die erwähnten Versuche festgestellten - -2-

Nr. 391 918 vorhandenen Schwingungsanregung dort zu suchen ist, wo die tatsächlichen Verhältnisse bei Turbinen von dem vorher beschriebenen, in Fig. 1 dargestellten Untersuchungsmodell abweichen. In der Turbinenstufe ist sowohl durch den Drall am Leitradaustritt, als auch infolge der Schubspannungen am (umlaufenden) Läufer, seinen Scheiben und Deckbändem, eine in Drehrichtung des Läufers wirkende Umfangskomponente der Spaltströmung vorhanden. Es ist daher anzunehmen, daß die Ursache der bei Turbinendichtungen festgestellten Verschiebung der Druckverteilung aus der zur engsten Stelle symmetrischen Lage - eine solche Druckverteilung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, wobei außerdem noch die mittlere Umfangskomponente (Cu) der Spaltströmung, die resultierende Kraft (R) aus der Druckverteilung, die Querkraft (Q) und die Rückstellkraft (R*) angegeben sind - in der Umfangskomponente der Spaltströmung zu suchen ist.

Die durchgeführten Messungen haben ferner ergeben, daß sich bei Turbinengittem die aus der Druckverteilung in der Strömung herrührende Querkraft zu der aus der Spalterregung kommenden Querkraft addiert, so daß die selbsterregte Schwingung im Anregungssinn verstärkt beeinflußt wird.

Als bisher wirksamste Maßnahme zur Erhöhung der Stabilitätsgrenze des Läufers ist die Anhebung der kritischen Drehzahl durch entsprechende steifere Ausbildung des Läufers bekannt. Diese Maßnahme hat aber insbesondere eine Durchmesservergrößerung der Leitapparatdichtungen, und daraus folgend eine Verringerung des inneren Turbinenwirkungsgrades, mit sich gebracht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, konstruktive Maßnahmen vorzuschlagen, welche es ermöglichen, die dynamische Grenzleistung der vorbekannten dampf- oder gasdurchströmten Turbinen oder Verdichter zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, vor oder in den Kammern mindestens einer Dichtung Strömungsablenker in Form von Umlenkblechen, Rippen, Profilen, Kanälen o. dgl. einzubauen und/oder Kanäle vorzusehen, die von einem stromauf an einer Stelle mit höherem Druck entnommenen Medium durchströmt werden, wobei die Strömungsablenker bzw. die aus den Mündungen der Kanäle austretenden Mediumstrahlen eine Richtung aufweisen, welche die Umfangskomponente der Spaltströmungsgeschwindigkeit verringert bzw. erhöht, sofern der Schwingungsvektor der selbsterregten Eigenschwingung im Sinn bzw. im Gegensinn der Umfangskomponente der Spaltströmungsgeschwindigkeit umläuft.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann nicht nur die aus der Druckverteilung in Dichtungen mögliche Verringerung der dynamischen Leistungsgrenze vermieden werden, sondern ganz allgemein jede Verringerung der dynamischen Leistungsgrenze aufgrund von selbsterregten Schwingungen. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahme besteht insbesondere darin, daß die Erhöhung der dynamischen Leistungsgrenze keinen nachteiligen Einfluß auf den Durchmesser der Leitapparatdichtungen und den inneren Turbinen- bzw. Verdichterwirkungsgrad hat.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind bzw. ist bei anisotroper Lagerung des Läufers die strömungsleitenden Bauteile bzw. das Einleiten des Sperr- oder Mischmediums im Bereich des größten Schwingungsausschlages konzentriert.

In der Zeichnung sind zwei Druckverteilungsdiagramme und mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm der Druckverteilung einer drallffei durchströmten "exzentrischen" Dichtung, Fig. 2 ein Diagramm der Druckverteilung bei Turbinen mit "exzentrischen" Dichtungen, wobei eine in Drehrichtung des Läufers weisende Umfangskomponente (Cu) der Spaltströmung positiv definiert ist, Fig. 3a einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch die Läuferachse mit strömungsführenden Bauteilen vor den Dichtungskammem, Fig. 3b einen Schnitt gemäß der Linie (inb-nib) in Fig. 3a, Fig. 4 einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch die Läuferachse mit strömungsführenden Bauteilen in Dichtungskammem, Fig. 5 einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch die Läuferachse mit gewindeartiger Eintrittspartie der Dichtung, Fig. 6 einen Schnitt gemäß der Linie (VI-VI) in Fig. 5, Fig. 7 einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch die Läuferachse mit Beeinflussung der Spaltströmungsumfangskomponente durch Beimischung von Strömungsmedium und Fig. 8 einen Schnitt gemäß der Linie (VIII-VIII) in Fig. 7.

In dem Spalt (1) zwischen einer festen Gehäusewand (2) und dem Deckband (3) eines auf der Welle eines Läufers einer Turbine befestigten Laufrades (4) ist eine berührungsfreie Dichtung (5) in Form einer Labyrinthdichtung mit Dichtungskammem angeordnet.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 sind im Spaltbereich vor oder in den Dichtungen (5) strömungsführende Bauteile (6), die Umlenkbleche, Rippen, Profile, Kanäle o. dgl. sein können, über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet. Die strömungsführenden Bauteile (6) sind so ausgebildet und angeordnet, daß die mittlere Umfangskomponente der Spaltströmung so verringert ist, daß die dem Schwingungsausschlag der Läuferschwingung um 90° vorauseilende Kraftkomponente aus der Druckverteilung vermindert, aufgehoben oder in ihrem Richtungssinn umgekehrt wird. Im letzteren Fall kann beispielsweise gleichzeitig die Erregung aus dem Spaltverlust gedämpft werden.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 5 und 6 sind die strömungsführenden Bauteile in Form der gewindeartigen Eintrittspartie (7) der Dichtung verwirklicht. Das Gewinde erstreckt sich gleichmäßig über den Umfang.

In dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 7 erfolgt die Beeinflussung der Spaltströmungsumfangs- -3-

Claims (3)

1. Nr. 391918 komponente durch Beimischung von Dampf oder Verwendung von Speirdampf mit den aus Impulsgründen dafür notwendigen Geschwindigkeiten und Gegendrehungen. Der Dampf bzw. Sperrdampf wird über entsprechende, gleichmäßig am Umfang verteilte Zuführungen (8) in den Spaltbereich vor oder in den Dichtungen (5) zugeführt. Die der Erhöhung der dynamischen Leistungsgrenze dienenden Maßnahmen gemäß den Fig. 4 und 5 bzw. 5,6 und 7 kann man auch miteinander kombinieren. Desgleichen kann man die dargestellten Vorrichtungen auch anderen als den im Spalt zwischen Laufraddeckband und Gehäuse angeordneten Dichtungen zuordnen, z. B. den Dichtungen im Spalt zwischen der Läuferwelle und dem Leitapparat oder der Dichtung des Ausgleichskolbens, was jedoch nicht weiter dargestellt ist Vorzugsweise sind die strömungsführenden Bauteile bzw. die Zuführungen für den Dampf bzw. Sperrdampf der Dichtung bzw. den Dichtungen zugeordnet die dem Schwingungsbauch der Läuferschwingung am nächsten liegen. PATENTANSPRÜCHE 1. Dampf- oder gasdurchströmte Turbine oder Verdichter mit einem um eine Längsachse drehenden beschaufeiten Rotor, dessen Schaufelkränze bei einer oder mehreren Stufen eine mitrotierende Außenbegrenzung mit gleichzeitiger Dichtfunktion in Form eines Deckbandes o. dgl. besitzen, sowie mit einem Stator und mit ein-oder mehrkammerigen berührungsfreien Dichtungen in Spalträumen zwischen Rotor und Stator, wobei die Leckage-Durchströmungsrichtung axial ist und die engsten Leckage-Durchtrittsflächen in Ebenen senkrecht zur Turbinen- bzw. Verdichter-Achse entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder in den Kammern mindestens einer Dichtung (5) Strömungsablenker (6) in Form von Umlenkblechen, Rippen, Profilen, Kanälen o. dgl. eingebaut sind, und/oder Kanäle (8) vorgesehen sind, die von einem stromauf an einer Stelle mit höherem Druck entnommenen Medium durchströmt werden, wobei die Strömungsablenker bzw. die aus den Mündungen der Kanäle austretenden Mediumstrahlen eine Richtung aufweisen, welche die Umfangskomponente der Spaltströmungsgeschindigkeit verringert bzw. erhöht, sofern der Schwingungsvektor der selbsterregten Eigenschwingung im Sinne bzw. im Gegensinne der Umfangskomponente der Spaltströmungsgeschwindigkeit umläuft.
2. 2. Dampf- oder gasdurchströmte Turbine oder Verdichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in Spaltströmungsrichtung gesehen vor- und/oder im Spaltbereich der berührungsffeien Dichtungen (5) unter spitzem Winkel eingeleitetes Sperr- oder Mischmedium mit gegebenenfalls negativer Umfangskomponente.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungsleitenden Bauteile (6) bzw. das Einleiten des Sperr- oder Mischmediums im Bereich des größten Schwingungsausschlages konzentriert sind/ist. Hiezu 5 Blatt Zeichnungen -4-