Einstellbare Labyrinthstopf Büchse für Dampf- oder Gasturbinen Die Erfindung betrifft eine einstellbare Labyrinth stopfbüchse für Dampf- oder Gasturbinen, deren Dichtringe in Segmente aufgeteilt sind, welche in dem Stopfbüchsengehäuse innerhalb eines begrenzten Ver- stellbereiches in radialer Richtung beweglich gelagert sind und bei der die radiale Einstellung dieser Seg mente durch das Gleichgewicht zwischen einer auf diese Segmente wirkenden Federkraft und einem dieser Federkraft entgegengerichteten Gefälle zwi schen zwei ebenfalls auf diese Segmente einwirken den Drücken bestimmt wird.
Um die Verluste in den Labyrinthstopfbüchsen von Dampf- oder Gasturbinen bei allen Betriebs zuständen möglichst niedrig halten zu können, gleich zeitig aber das Anlaufen der empfindlichen Dicht kämme an der umlaufenden Turbinenwelle eben falls bei sämtlichen Drehzahlen und Belastungen ver meiden zu können, werden diese Stopfbüchsen häufig so ausgeführt, dass das radiale Spiel zwischen deren feststehenden Teilen und der Welle während des Betriebes der Turbine verstellbar ist. Um diese Ver- stellbarkeit zu erzielen, müssen die feststehenden, ringförmigen Dichtteile in eine Anzahl von Segmen ten aufgeteilt sein..
Diese Segmente werden in dem Gehäuse der Stopfbüchse so gelagert, dass sie sich jeweils einzeln innerhalb eines begrenzten Verstell bereiches in radialer Richtung bewegen können.
Die Wellen von Turbinen sind beim Belasten bzw. Hochfahren und beim Entlasten bzw. Auslau fen, insbesondere aber beim Durchlaufen der kritischen Drehzahlen, stärkeren Schwingungen und Lageänderungen unterworfen als beim Betrieb bei Normallast und konstanter Drehzahl. Dementspre chend gilt es, das radiale Stopfbüchsenspiel bei Last- und Drehzahländerungen genügend weit, bei gleich bleibender Last und Drehzahl, insbesondere aber bei Vollast und Betriebsdrehzahl, möglichst eng ein zustellen.
Es sind Turbinen bekanntgeworden, bei denen die Abhängigkeit der Änderung des Druckes inner halb der Turbine von den Änderungen der Menge des durchströmenden Treibmittels und damit von den Belastungsänderungen zur selbsttätigen Einstel lung des Radialspiels der Stopfbüchsen ausgenutzt wird.
Die selbsttätige Einstellung wird in diesen Aus führungen dadurch erreicht, dass auf die in radialer Richtung beweglich gelagerten Dichtsegmente einer seits eine radial gerichtete Federkraft, anderseits ein dieser Federkraft entgegengerichtetes und sich mit der Belastung der Turbine veränderndes Gefälle zwi schen zwei Treibmitteldrücken wirkt. Wegen ihrer freien Beweglichkeit innerhalb ihres radialen Ver- stellbereiches können sich die Dichtsegmente so ein stellen, dass zwischen der Federkraft und der Druck kraft stets Gleichgewicht herrscht.
Es besteht also ein steter Zusammenhang zwischen dem Betrag des wirksamen Druckgefälles und der Grösse der Feder auslenkung und damit der Stellung des Dichtsegmen tes. Wirkt das Druckgefälle in Richtung von aussen nach innen, so muss die auf die Dichtsegmente wir kende Federkraft bei mit Belastung steigender Druckdifferenz nach aussen, bei mit Belastung sin kender Druckdifferenz nach innen gerichtet sein.
In den meisten Fällen wird das Stopfbüchsen spiel in der beschriebenen Weise mit Hilfe der Druckdifferenz zwischen zwei Treibmitteldrücken geregelt. Es ist aber ebenso möglich, einen vom Treibmittelkreislauf der Turbinenanlage unabhän gigen Druckmittelsystem zur Steuerung der Radial einstellung der Segmente vorzusehen.
Die Radialspiele in Stopfbüchsen betragen im allgemeinen nur Bruchteile von Millimetern. Die gleiche Grössenordnung weisen die Lageänderungen und die Ausschläge der Schwingungen auf, denen die Turbinenwellen beim Durchlaufen der verschie denen Betriebszustände unterworfen sind. Dement sprechend klein ist der Bereich, innerhalb dem die Segmente zum Vermeiden des Anlaufens und zur Erzielung einer guten Dichtwirkung zu verstellen sind.
Bei den bekannten Ausführungen bereitet es be trächtliche Schwierigkeiten, diejenigen Begrenzungs- tlächen an den Segmenten und an dem Stopfbüchsen gehäuse, durch welche der radiale Verstellbereich dieser Segmente festgelegt ist, mit der erforderlichen Massgenauigkeit herzustellen.
In den meisten Fällen wird die Begrenzung des Radialspiels und die Ab stützung der Segmente dadurch erreicht, dass diese mit einem an ihrem äusseren Umfang verlaufenden hammerkopfartigen Profil versehen und in T-förmi- gen Nuten eingeschoben werden, welche über die innere Umfangsfläche des Stopfbüchsengehäuses verlaufen. Diese Segmentabstützung hat sich zwar im Betrieb bewährt, jedoch ist die massgerechte Fertigung derjenigen Flächen, welche den radialen Verstellbereich begrenzen, wegen der geforderten engen Toleranzen sehr kostspielig.
Die beiden Auf lageflächen innerhalb der T-Nuten, welche die Be weglichkeit der Segmente nach innen begrenzen, lassen sich nur durch schwierig auszuführende Hin terdrehungen gewinnen. Zudem ist es im allgemeinen nicht möglich, diese beiden Auflageflächen in den T-Nuten und die entsprechenden Gegenflächen an dem Hammerkopfprofil der Dichtringe in nur einer Einspannung auf der Werkzeugmaschine fertig zu bearbeiten. Es ist sehr schwierig, die Dicht ringe bzw. das Stopfbüchsengehäuse beim Umspan nen auf der Werkzeugmaschine so genau auszurich ten, dass die noch zu bearbeitende Auflagefläche ge genüber der schon fertigen Fläche genau konzen trisch liegt.
Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, die Fe dern in diese Stopfbüchsen so genau auszulegen, herzustellen und einzubauen, dass die bei Last- und Drehzahländerungen auftretenden Änderungen des auf die Segmente wirkenden Druckgefälles jeweils die geforderten Änderungen des radialen Spiels ver ursachen. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass sich im Verlauf der Betriebszeit einer Turbine die Abhängigkeit des auf die Dichtsegmente wirkenden Gefälles zwischen zwei Treibmitteldrücken von der Be lastung so starkverändert, dass der ursprünglich vorhan dene richtige Zusammenhang zwischen dem Betriebs zustand der Turbine und dem Radialspiel der Stopf büchsen verlorengeht.
Um diesen Zusammenhang wiederherzustellen, ist es notwendig, die Grösse der Federkräfte entsprechend den Änderungen des Ver hältnisses zwischen Turbinenbelastung und wirk samen Druckgefälle zu korrigieren. Letzteres lässt sich bei den bekannten Labyrinthstopfbüchsen nur entweder durch Auswechseln der Federn oder durch andere, mühsam durchzuführende konstruktive Än derungen bewerkstelligen. In der vorliegenden Erfindung wird eine ein stellbare Labyrinthstopfbüchse vorgeschlagen, deren Herstellung ohne die geschilderten Schwierigkeiten möglich ist und bei der die Grösse der Federkräfte ohne Austausch der Federn oder Umbau der Stopf büchse variiert werden kann.
Die Erfindung besteht darin, dass die Segmente der Dichtringe an verstellbaren Stützteilen so an gelenkt sind, dass beim Verstellen dieser Stütztelle der radiale Verstellbereich dieser Segmente verändert wird und dass die Auflagen der Federn am Stopf büchsengehäuse so verstellbar sind, dass sich beim Verstellen dieser Auflagen der Verlauf der elasti schen Linie der vorgespannten Federn und damit die Grösse der von ihnen ausgeübten Federkraft ändert.
Dadurch, dass der radiale Verstellbereich der Segmente verändert werden kann, ist es nicht mehr notwendig, die entsprechenden Auflageflächen an den Segmenten bzw. an dem Stopfbüchengehäuse mit der bei den bekannten Ausführungen erforderlichen Genauigkeit anzufertigen. Auch ist es dadurch mög lich, die durch den Verschleiss der Dichtkämme her vorgerufenen Vergrösserungen des Radialspiels ohne Nachbearbeitung der Dichtkämme oder Austausch der Dichtsegmente auszugleichen.
Durch die Ver- stellbarkeit der Federverformung und damit der Grösse der Federkraft ist es möglich, die Labyrinth stopfbüchse so einzurichten, dass die beiden einander entgegenstehenden Forderungen nach Erzielung einer guten Dichtwirkung und nach Vermeiden des An laufens der Dichtkämme stets auf optimale Weise erfüllt werden.
Bezüglich der konstruktiven Ausbildung der Labyrinthstopfbüchse gemäss der Erfindung können folgende Einzelheiten angewendet werden: Die Stützteile zur Aufhängung der Segmente können zugleich als feste Federauflage verwendet wer den.
Werden diese Stützteile in Form von Drehbolzen ausgebildet und werden diese Drehbolzen in kreis zylindrischen Führungen am Stopfbüchsengehäuse drehbar gelagert, so ist es möglich, die Veränderlich keit des Verstellbereiches bzw. die Verstellbarkeit der festen Federauflage auf einfache Weise dadurch zu erreichen, dass die Umfangsflächen dieser Bolzen im Bereich der Segmentauflage und der Federauflage gegenüber diesen Führungen exzentrisch angeordnet werden.
Bei Verwendung von blattförmigen Federn und bei Anordnung dieser Federn in tangentialer Rich tung ist es möglich, die äusseren radialen Abmessun gen der Stopfbüchse klein zu halten. Es wird vor geschlagen, diese Blattfedern in nutförmigen Ein schnitten an der äusseren Umfangsfläche der Seg mente anzuordnen.
Die Blattfedern werden zweckmässigerweise als Federn gleicher Biegesteifigkeit gestaltet, also bei spielsweise in Form von einteiligen oder geschichte- ten Dreiecks- bzw. Trapezfedern. Durch diese Form gebung wird eine möglichst gleichmässige Ausnützung des gesamten Federwerkstoffes erreicht.
Um die Stützteile zur Aufhängung der Segmente zugleich als feste Auflage für die Federn verwenden zu können. kann folgende Anordnung getroffen werden: An den Stossflächen der Segmente werden in jeweils gegenüberliegender Lage achsparallel ver laufende Einschnitte so angebracht, dass diese die an der äusseren Umfangsfläche der Segmente ver laufenden nutförmigen Einschnitte schneiden.. Da durch entstehen beim Zusammensetzen jeweils zwi schen zwei benachbarten Segmenten Durchbrüche, in denen die Stützteile untergebracht werden können. Die durchgesteckten Stützteile schneiden also die über den Umfang der Segmente verlaufende Rin nut, in der sich die Blattfedern befinden.
Damit ist es möglich, diese Stützteile zugleich als feste Federauf lage zu verwenden.
Die Segmente der Dichtringe können dadurch in axialer Richtung fixiert und in radialer Richtung geführt werden, dass diese in über die innere Um fangsfläche des Stopfbüchsengehäuses verlaufende nutförmige Einschnitte mit achsnormalen Begren zungsflächen hineinragen.
Zur Übertragung der Federkraft auf die Segmente können gesonderte Auflageteile, beispielsweise Stifte, verwendet werden. Diese Auflageteile können an den Segmenten so befestigt werden, dass sie die an der äusseren Umfangsfläche der Segmente verlaufende Ringnut schneiden. Zusätzlich zu den Federauflagen an dem Stopfbüchsengehäuse können auch die an den Segmenten angeordneten Federauflageteile verstell bar ausgeführt sein. Zur Erzielung einer möglichst gleichmässigen Beanspruchung der Federn wird vor geschlagen, für jedes Segment zwei Auflageteile vor zusehen.
Werden sämtliche verstellbaren Stützteile der Segmente eines Dichtringes jeweils in gleicher Weise an ein gemeinsames Stellteil angelenkt, so ist es möglich, die Grösse des Verstellbereiches sämtlicher Segmente am Umfang des Dichtringes bzw. die auf die Segmente wirkende Federkraft durch Verstellen dieses einen Stehteiles im gleichen Richtungssinn und um den gleichen Betrag zu verändern.
In den Figuren der Zeichnung ist die einstellbare Labyrinthstopfbüchse gemäss der Erfindung beispiels weise dargestellt.
Fig.l zeigt eine solche Stopfbüchse mit nach aussen gerichteter Federkraft in einem achsnormalen Ifalbschnitt, und in Fig. 2 ist der Schnitt durch die selbe Ausführung längs der Schnittlinie A-B abgebil det.
In den Fig. 3 und 4 ist eine Stopfbüchse mit nach innen gerichteter Federkraft wiedergegeben. Fig.3 zeigt einen achsnormalen Halbschnitt und Fig.4 einen Achsschnitt längs der Schnittlinie<B>C -D.</B>
Die Segmente 1 der Dichtringe sind in nutförmi- gen Einschnitten 21, welche über die innere Um- fangsfläche des Stopfbüchsengehäuses 2 verlaufen, in radialer Richtung beweglich gelagert und durch Auflage an deren achsnormalen Begrenzungsflächen in axialer Richtung fixiert. Zur Aufhängung dieser Segmente 1 dienen Auflageteile 3, die in der ab gebildeten Ausführung die Form von Drehbolzen auf weisen. Diese Drehbolzen 3 sind in Bohrungen 2? am Stopfbüchsengehäuse drehbar gelagert und er strecken sich durch die an der Stirnseite der Seg mente 1 in axialer Richtung verlaufenden Einschnitte 11.
Diese Einschnitte 11 schneiden den über den äusseren Umfang der Segmente 1 verlaufenden Ein schnitt 12, innerhalb dem sich die blattförmigen Federn 4 befinden. Bei dieser Anordnung ist es möglich, die Drehbolzen 3 zugleich als feste Auf lage für die Blattfedern 4 zu verwenden.
Die Veränderlichkeit des radialen Verstellberei- ches der Segmente 1 bzw. der festen Auflagen der Federn 4 wird dadurch erreicht. dass der Umfang der Drehbolzen 3 im Bereich der Segment- bzw. Federauflagen gegenüber deren Lagerung exzentrisch ausgebildet ist. Dieser Exzenter ist mit 31 gekenn zeichnet. Das Teil 5 dient zur axialen Fixierung und zur Sicherung gegen selbsttätiges Lösen der Dreh bolzen.
Die zur Übertragung der Federkraft auf die Segmente 1 dienenden Auflageteile 6 weisen die Form von zylindrischen Stiften auf. Sie sind an den Seg menten jeweils paarweise angeordnet. Dadurch wird ein gleichmässiger Verlauf der Beanspruchung in den Blattfedern 4 erzielt.
Die Dichtkämme an den Segmenten tragen die Ziffer 13. Die Turbinenwelle ist mit 7 gekennzeich net.