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.
Adjustable labyrinth stuffing box for steam or gas turbines The invention relates to an adjustable labyrinth stuffing box for steam or gas turbines, the sealing rings of which are divided into segments, which are movably mounted in the stuffing box housing within a limited adjustment range in the radial direction and in which the radial adjustment this segment is determined by the balance between a spring force acting on these segments and a gradient opposing this spring force between two also acting on these segments the pressures.
In order to be able to keep the losses in the labyrinth stuffing boxes of steam or gas turbines as low as possible in all operating conditions, but at the same time to avoid the sensitive sealing combs on the rotating turbine shaft starting at all speeds and loads, these stuffing boxes are often used designed so that the radial play between the fixed parts and the shaft can be adjusted during operation of the turbine. To achieve this adjustability, the fixed, ring-shaped sealing parts must be divided into a number of segments.
These segments are stored in the housing of the stuffing box so that they can each move individually within a limited adjustment range in the radial direction.
The shafts of turbines are subject to stronger vibrations and changes in position than when operating at normal load and constant speed when loading or starting up and when relieving or running out, but especially when passing through critical speeds. Accordingly, it is important to set the radial stuffing box clearance as close as possible when the load and speed change, while the load and speed remain the same, but especially at full load and operating speed.
Turbines have become known in which the dependence of the change in pressure within the turbine on the changes in the amount of propellant flowing through and thus on the changes in load for automatic setting of the radial play of the stuffing boxes is exploited.
The automatic setting is achieved in these executions by the fact that on the one hand, a radially directed spring force acts on the sealing segments, which are movably mounted in the radial direction, and on the other hand, a gradient between two propellant pressures that opposes this spring force and changes with the load on the turbine. Because of their free mobility within their radial adjustment range, the sealing segments can adjust themselves in such a way that there is always an equilibrium between the spring force and the pressure force.
So there is a constant relationship between the amount of the effective pressure gradient and the size of the spring deflection and thus the position of the Dichtsegmen th. If the pressure gradient acts from the outside to the inside, the spring force acting on the sealing segments must be directed outwards when the pressure difference increases with load and inwards when the pressure difference decreases with load.
In most cases, the stuffing box game is regulated in the manner described with the help of the pressure difference between two propellant pressures. But it is also possible to provide a pressure fluid system independent of the propellant circuit of the turbine system for controlling the radial setting of the segments.
The radial clearances in stuffing boxes are generally only fractions of a millimeter. The changes in position and the deflections of the vibrations to which the turbine shafts are subjected when they pass through the various operating states are of the same order of magnitude. Accordingly, the area within which the segments are to be adjusted to avoid tarnishing and to achieve a good sealing effect is correspondingly small.
In the known designs, there are considerable difficulties in producing those boundary surfaces on the segments and on the stuffing box housing, by which the radial adjustment range of these segments is determined, with the required dimensional accuracy.
In most cases, the limitation of the radial play and the support of the segments is achieved by providing them with a hammer-head-like profile running on their outer circumference and inserting them into T-shaped grooves which run over the inner circumferential surface of the stuffing box housing. Although this segment support has proven itself in operation, the dimensionally accurate production of those surfaces which limit the radial adjustment range is very expensive because of the tight tolerances required.
The two contact surfaces within the T-slots, which limit the inward mobility of the segments, can only be achieved by turning them backwards, which are difficult to perform. In addition, it is generally not possible to finish these two bearing surfaces in the T-slots and the corresponding mating surfaces on the hammer head profile of the sealing rings in just one clamping on the machine tool. It is very difficult to align the sealing rings or the stuffing box housing so precisely when re-clamping on the machine tool that the bearing surface still to be machined is exactly concentric with respect to the already finished surface.
Another difficulty is to design, manufacture and install the springs in these stuffing boxes so precisely that the changes in the pressure gradient acting on the segments caused by changes in load and speed each cause the required changes in the radial play. In addition, there is a risk that the dependence of the gradient between two propellant pressures acting on the sealing segments on the load will change so much over the course of the operating time of a turbine that the originally existing correct relationship between the operating state of the turbine and the radial play of the plug cans is lost.
In order to restore this relationship, it is necessary to correct the size of the spring forces according to the changes in the ratio between the turbine load and the effective pressure gradient. The latter can only be done with the known labyrinth stuffing boxes either by replacing the springs or by other, laborious constructive changes. In the present invention, an adjustable labyrinth stuffing box is proposed, the production of which is possible without the difficulties described and in which the size of the spring forces can be varied without exchanging the springs or rebuilding the stuffing box.
The invention consists in the fact that the segments of the sealing rings are articulated on adjustable support parts so that the radial adjustment range of these segments is changed when this support point is adjusted and that the supports of the springs on the stuffing box housing are adjustable so that when these supports are adjusted the The course of the elastic line of the preloaded springs and thus the size of the spring force exerted by them changes.
Because the radial adjustment range of the segments can be changed, it is no longer necessary to produce the corresponding bearing surfaces on the segments or on the stuffing box housing with the accuracy required in the known designs. This also makes it possible to compensate for the increases in radial play caused by the wear of the sealing combs without reworking the sealing combs or replacing the sealing segments.
Due to the adjustability of the spring deformation and thus the size of the spring force, it is possible to set up the labyrinth stuffing box in such a way that the two opposing requirements for achieving a good sealing effect and avoiding contact with the sealing ridges are always met in an optimal manner.
With regard to the structural design of the labyrinth stuffing box according to the invention, the following details can be used: The support parts for suspending the segments can also be used as a fixed spring support to whoever.
If these support parts are designed in the form of pivot pins and these pivot pins are rotatably mounted in circular cylindrical guides on the stuffing box housing, it is possible to achieve the variability of the adjustment range or the adjustability of the fixed spring support in a simple manner by opening the peripheral surfaces of these bolts be arranged eccentrically with respect to these guides in the area of the segment support and the spring support.
When using leaf-shaped springs and when these springs are arranged in a tangential direction, it is possible to keep the outer radial dimensions of the stuffing box small. It is proposed to arrange these leaf springs in a groove-shaped cut on the outer peripheral surface of the Seg elements.
The leaf springs are expediently designed as springs of the same flexural rigidity, that is to say, for example, in the form of one-piece or layered triangular or trapezoidal springs. This shape ensures that the entire spring material is used as evenly as possible.
In order to be able to use the support parts for suspending the segments at the same time as a fixed support for the springs. The following arrangement can be made: on the joint surfaces of the segments, incisions running parallel to the axis are made in opposite positions so that they intersect the groove-shaped incisions running on the outer circumferential surface of the segments. This results in between two adjacent segments when they are put together Breakthroughs in which the support parts can be accommodated. The inserted support parts cut the groove running over the circumference of the segments, in which the leaf springs are located.
This makes it possible to use these support parts as a fixed Federauf position at the same time.
The segments of the sealing rings can be fixed in the axial direction and guided in the radial direction in that they protrude into groove-shaped incisions running over the inner circumferential surface of the stuffing box housing with axially normal limiting surfaces.
Separate support parts, such as pins, can be used to transmit the spring force to the segments. These support parts can be attached to the segments in such a way that they intersect the annular groove running on the outer peripheral surface of the segments. In addition to the spring supports on the stuffing box housing, the spring support parts arranged on the segments can also be made adjustable. In order to achieve the most uniform possible stress on the springs, it is proposed to provide two support parts for each segment.
If all adjustable support parts of the segments of a sealing ring are each articulated in the same way to a common control part, it is possible to adjust the size of the adjustment range of all segments on the circumference of the sealing ring or the spring force acting on the segments by adjusting this one standing part in the same direction and to change by the same amount.
In the figures of the drawing, the adjustable labyrinth stuffing box according to the invention is shown as an example.
Fig.l shows such a stuffing box with outwardly directed spring force in an axially normal Ifalbschnitt, and in Fig. 2 the section through the same embodiment along the section line A-B is abil det.
3 and 4 show a stuffing box with an inwardly directed spring force. FIG. 3 shows an axially normal half section and FIG. 4 shows an axial section along the section line C-D
The segments 1 of the sealing rings are movably supported in the radial direction in groove-shaped incisions 21 which run over the inner circumferential surface of the stuffing box housing 2 and are fixed in the axial direction by resting on their axially normal boundary surfaces. To suspend these segments 1 support parts 3 are used, which have the form of pivot pins in the embodiment shown. These pivot pins 3 are in holes 2? rotatably mounted on the stuffing box housing and it stretch through the incisions 11 running in the axial direction on the end face of the segment 1.
These incisions 11 cut the extending over the outer periphery of the segments 1 A cut 12 within which the leaf-shaped springs 4 are located. With this arrangement, it is possible to use the pivot pin 3 as a fixed position for the leaf springs 4 at the same time.
The variability of the radial adjustment range of the segments 1 or the fixed supports of the springs 4 is thereby achieved. that the circumference of the pivot pin 3 in the area of the segment or spring supports is eccentric with respect to their mounting. This eccentric is marked 31. The part 5 is used for axial fixation and to secure against automatic loosening of the pivot bolt.
The support parts 6 used to transmit the spring force to the segments 1 are in the form of cylindrical pins. They are arranged in pairs on the Seg ments. As a result, the stress in the leaf springs 4 is uniform.
The sealing combs on the segments bear the number 13. The turbine shaft is marked with a 7.