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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft Dichtungen
zwischen drehenden und feststehenden Komponenten von rotierenden
Maschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Konstruktion
eines nuklearen Stopfbuchsengehäuses
für Niederdruckdampfturbinen,
das durch eine Reduzierung von Distorsionen der horizontalen Verbindung
weniger leckageanfällig
ist.
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An rotierenden Maschinen, beispielsweise Turbinen,
sind zwischen drehenden und feststehenden Komponenten Dichtungen
vorgesehen. Insbesondere sind ferner gewöhnlich bogenförmige Stopfbuchsenringsegmente
(bogenförmige
Dichtungssegmente) in einer ringförmigen Nut in der feststehenden Komponente
angeordnet, die konzentrisch zu der Drehachse der Maschine und somit
konzentrisch zu der abdichtenden Fläche der rotierenden Komponente
ausgerichtet ist. Jedes bogenförmige
Stopfbuchsenringsegment trägt
eine bogenförmige
Dichtfläche, die
der abdichtenden Fläche
der drehenden Komponente gegenüberliegt.
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In einer typischen Bauweise, wie
sie in 2-3 gezeigt ist, ist jede ringförmige Nut 10, 12 schwalbenschwanzförmig gestaltet
und weist Führungsflansche
auf, die einander axial zugewandt sind und zwischen einander einen
Schlitz definieren. Die feststehende Komponente (Gehäuse) ist
gewöhnlich entlang
einer sich im Wesentlichen horizontal erstreckenden, die obere und
untere Hälften 16, 18 des feststehenden
Gehäuses
definierenden Mittellinie in Längsrichtung
geteilt. Auf diese Weise nehmen halbringförmige Keilnuten 10, 12 Abschnitte
der bogenförmigen
Stopfbuchsensegmente auf. Die Stopfbuchsenringsegmente sind in ähnlicher
Weise schwalbenschwanzförmig
ausgebildet und weisen ein Paar axial voneinander abgewandte Füße auf,
die sich innerhalb der Keilnut anordnen lassen, wobei der Halsabschnitt,
der die Dichtfläche
und Füße des Segments verbindet,
durch den Schlitz führt,
der durch die Führungsflansche
der Nut gebildet wird. Die herkömmlichen
Stopfbuchsenringsegmente sind aus Gründen der Übersichtlichkeit und Erleichterung
der Darstellung der Stopfbuchsenringträger nicht dargestellt. Ähnlich wird
um der Übersichtlichkeit
willen auf die Darstellung des Rotoraufbaus verzichtet, jedoch ist dessen
Drehachse in 1 angedeutet.
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Herkömmliche nukleare Stopfbuchsengehäuse 16, 18 für Niederdruckdampfturbinen
werden normalerweise aus geschnittenen und geformten Stahlplatten
hergestellt, die zusammengeschweißt werden. Das sich ergebende
Rohteil wird als Einheit spanabhebend bearbeitet, um die Bohrungsdurchmesser
herzustellen, die die Stopfbuchsenringträger 20, 22 aufnehmen.
Die Stopfbuchsenringträger
werden anschließend
an das Stopfbuchsengehäuserohteil
angeschweißt.
Solche nuklearen Stopfbuchsengehäuse
für Niederdruckdampfturbinen 16, 18 sind anfällig gegen
Lufteintrittslecks, wodurch die Leistung beeinträchtigt wird. Insbesondere wird
jede Bewegung der Stopfbuchse, da das herkömmliche Stopfbuchsengehäuse aus
miteinander verschweißten
Blechteilen hergestellt ist, unmittelbar auf die horizon talen Verbindungen 24, 26 übertragen. Über jede
Stopfbuchsenstufe hinweg verlaufen Temperaturgradienten und diese
ungleichmäßige thermische Distorsion
wird auf diese Weise unmittelbar in die horizontalen Verbindungen übertragen.
Aufgrund der über
jede Stopfbuchse verlaufenden Temperaturgradienten verbiegen sich
die horizontalen Verbindungen des Stopfbuchsengehäuses im
Laufe der Zeit. Wenn die Verbindung einmal begonnen hat sich zu öffnen, kann
Dampf entweichen und einen Kanal erodieren, der ein Leck für eintretende
Luft schafft.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die Erfindung schafft ein nukleares
Niederdruckstopfbuchsengehäuse
mit verminderter Leckage an der horizontalen Verbindung. Dies wird
erreicht, indem Stopfbuchsenringträger geschaffen werden, die
getrennt von dem Gehäuse
ausgebildet sind, so dass durch thermische Distorsion hervorgerufene
Spannungen nicht auf die horizontalen Verbindungen übertragen
werden. In einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung sitzen die Stopfbuchsenringträger in vorgefertigten Nuten
in dem Gehäuse,
und sind nicht direkt mit dem Gehäuse verschweißt.
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Die Erfindung lässt sich daher in einem Stopfbuchsengehäuse für eine rotierende
Maschine mit einer um eine Achse drehbaren Komponente anwenden,
zu dem gehören:
eine obere Gehäusehälfte; eine
untere Gehäusehälfte; mehrere
Stopfbuchsenringträger,
wobei jeder der Stopfbuchsenringträger ein Umfangsteilsegment
mit einer Innenumfangsfläche
und einer Au ßenumfangsfläche umfasst;
jedes der Segmente eine in deren Innenumfangsfläche definierte Schwalbenschwanznut
aufweist, die dazu dient, einen komplementär konfigurierten Stopfbuchsenring
aufzunehmen, wobei die Stopfbuchsenringträger an dem Innenumfang der
Gehäusehälften entlangführend angeordnet
sind, und die Stopfbuchsenringträger
im Wesentlichen frei von einer starren Befestigung an den Gehäusehälften sind.
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Die Erfindung lässt sich ebenfalls in einem Stopfbuchsengehäuse für eine rotierende
Maschine mit einer um eine Achse drehbaren Komponente anwenden,
zu dem gehören:
eine obere Gehäusehälfte und
eine untere Gehäusehälfte, wobei
die obere und die untere Gehäusehälfte jeweils
mehrere Nuten aufweisen, die entlang einer Innenumfangsfläche der Gehäusehälften definiert
sind; und mehrere Stopfbuchsenringträger, wobei jeder der Stopfbuchsenringträger aufweist:
ein Umfangsteilsegment mit einer Innenumfangsfläche, eine in der Innenumfangsfläche definierte
Schwalbenschwanznut, die dazu dient, einen komplementär konfigurierten
Stopfbuchsenring aufzunehmen, eine Außenmfangsfläche und einen radialen Flansch,
der radial aus der Aunenumfangsfläche ragt, wobei die radialen
Flansche geeignet dimensioniert und konfiguriert sind, um in entsprechenden
Nuten der Gehäusehälften angeordnet zu
werden.
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Ferner ist ein Verfahren zum Herstellen
eines die Erfindung verkörpernden
Stopfbuchsenringträgers
geschaffen. Die Erfindung ist daher ferner in einem Verfahren zum
Herstellen eines Stopfbuchsengehäuses
für eine
rotierende Maschine mit einer um eine Achse drehbaren Komponente
verkörpert,
zu dem die Schritte gehören:
Bereitstellung mehrerer Stopfbuchsen ringträger in Form von oberflächenvergüteten spanabhebend
gefertigten Teilen, wobei jeder der Stopfbuchsenringträger ein
Umfangsteilsegment darstellt, zu dem gehören: eine Innenumfangsfläche, eine
in der Innenumfangsfläche
definierte Schwalbenschwanznut, die dazu dient, einen komplementär konfigurierten
Stopfbuchsenring aufzunehmen, eine Außenumfangsfläche und
ein radialer Flansch, der radial von der Außenumfangsfläche weg
ragt; Schneiden, Formen und Schweißen von Stahlplatten, um obere
und untere Gehäuserohteile herzustellen;
spanabhebendes Bearbeiten der oberen und unteren Gehäuserohteile
bis zu einem geeigneten Bohrungsdurchmesser, um die Stopfbuchsenringträger darin
anzubringen, und dadurch obere und untere Gehäusehälften fertigzustellen; und
formendes und/oder spanabhebendes Ausbilden mehrerer in Umfangsrichtung
verlaufenden Nuten entlang des Innenumfangs der oberen wie der unteren
Gehäusehälfte, wobei
die Nuten dimensioniert und konfiguriert sind, um entsprechende
Flansche der Stopfbuchsenringträger
entgegen zu nehmen.
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Nach noch einem Merkmal der Erfindung
ist eine vereinfachte Anordnung von Einlass- und Auslassdampfstromkanälen vorgesehen,
um die Herstellungskosten zu senken. Gemäß dieses Ausführungsbeispiels
erfolgt das Eintreten oder Austreten des Einlass- oder Auslassdampfs
lediglich an einem der unteren Quadranten anstelle der gesamten
unteren Hälfte,
so dass die Konstruktion des Stopfbuchsengehäuses sich vereinfachen lässt, um
Herstellungs- und Materialkosten zu senken.
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Ein Vorteil der vereinfachten Konstruktion des
Dampfkanals besteht darin, dass sich die obere Hälfte des Stopfbuch sengehäuses wesentlich
einfacher und kostengünstiger
herstellen lässt,
da sie im Wesentlichen eine Schale darstellt, die dazu dient die Stopfbuchsenringträger zu halten.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Aufgaben und Vorteile
der Erfindung werden vollständiger
verstanden und gewürdigt
nach einem sorgfältigen
Lesen der nachfolgenden detaillierteren Beschreibung der hier bevorzugten
Ausführungsbeispiele
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren:
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1 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht eines herkömmlichen
Stopfbuchsengehäuses;
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2 zeigt
eine schematische Schnittansicht des in 1 gezeigten Stopfbuchsengehäuses;
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3 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht der unteren Hälfte des
Stopfbuchsengehäuses,
das die herkömmliche
horizontale Verbindung veranschaulicht;
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4 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht ähnlich derjenigen nach 1, veranschaulicht jedoch
ein Stopfbuchsengehäuse
entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 zeigt
eine schematische Schnittansicht der in 4 gezeigten Konfiguration des Stopfbuchsengehäuses;
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6 zeigt
eine schematische Draufsicht der unteren Hälfte des Stopfbuchsengehäuses entsprechend
dem Ausführungsbeispiel
nach 4-5;
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7 zeigt
eine vergrößerte, schematische, perspektivische
Teilansicht einer erfindungsgemäßen oberen
Hälfte
des Stopfbuchsengehäuses;
und
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8 zeigt
eine schematische Draufsicht einer unteren Hälfte des Stopfbuchsengehäuses entsprechend
einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1-3 veranschaulichen eine herkömmliche
Konstruktion eines Stopfbuchsengehäuses. Wie oben erwähnt, werden
herkömmliche
Stopfbuchsengehäuse
aus geschnittenen und geformten Stahlplatten hergestellt, die zusammengeschweißt werden. Das
sich ergebende Rohteil wird als Einheit spanabhebend bearbeitet,
um die Bohrungsdurchmesser zu verwirklichen, die die Stopfbuchsenringträger aufnehmen.
Die Stopfbuchsenringträger 20, 22 sind,
wie insbesondere in 2 und 3 veranschaulicht, an das entsprechende
Stopfbuchsengehäuse 16, 18 angeschweißt.
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Da das herkömmliche Stopfbuchsengehäuse aus
zusammengeschweißten
Blechteilen gefertigt ist, und die Stopfbuchsenringträger an das
Stopfbuchsengehäuse
angeschweißt
sind, wird, wie oben erwähnt,
jede Bewegung der Stopfbuchse in die horizontale Verbindung übertragen.
Die Erfindung schlägt
vor, eine Leckage an der horizontalen Verbindung zu reduzieren,
indem die Stopfbuchsenringträger
getrennt von dem Gehäuse
ausgebildet werden, so dass durch thermische Distorsion hervorgerufene Spannungen
nicht auf die horizontale Verbindung übertragen werden.
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Ein als ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung geschaffenes nukleares NiederdruckStopfbuchsengehäuse ist
exemplarisch in 4-7 veranschaulicht. Um die
Erläuterung
und das Verstehen zu erleichtern, sind Komponenten dieses Stopfbuchsengehäuses, die
im Wesentlichen Komponenten der oben be schriebenen herkömmlichen
Stopfbuchsengehäuse
entsprechen, mit entsprechenden durch 100 inkrementierten Bezugszeichen
bezeichnet, allerdings ist deren Beschreibung auf den Teil beschränkt, der
erforderlich ist, um die Unterschiede zwischen der erfinderischen
Konfiguration und der herkömmlichen
Anordnung herauszustellen.
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Wie in 5-7 zu sehen, sitzen in einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung die Stopfbuchsenringträger 120, 122 in
den entsprechenden Gehäusehälften in
den vorgefertigten Nuten 132, 128, anstatt unmittelbar
an die Gehäusehälften angeschweißt zu sein.
In dem in 5 und 6 veranschaulichten Ausführungsbeispiel
ist die untere Gehäusehälfte 118 daher
spanabhebend bearbeitet, um Nuten oder Schlitze 128 zu
definieren, die dazu dienen, entsprechend dimensionierte und geformte
Flansche oder Zungen 130 entgegen zu nehmen, die radial
aus den äußeren Umfangsflächen 140 der
Stopfbuchsenringträger 122 ragen. 5 und 7 veranschaulichen ferner die obere Gehäusehälfte 116 mit
Schlitzen oder Nuten 132, die dazu dienen, die Flansche
oder Zungen 134 aufzunehmen, die von den äußeren Umfangsflächen 142 der
Stopfbuchsenringträger 120 radial
nach außen
ragen. Wie in 4-7 zu sehen, sind die Innenumfangsflächen 144, 146 der
Stopfbuchsenringträger 120, 122 üblicherweise
mit Keilnuten 110, 112 konfiguriert, die dazu
dienen, herkömmliche (nicht
gezeigte) Stopfbuchsenringe auf zunehmen.
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Die Stopfbuchsenringträger sind
auf diese Weise als gesonderte Ringabschnitte 120, 122 ausgebildet,
die jeweils ein oberflächenvergütetes spanabhebend
gefertigtes Teil definie ren. Die Stopfbuchsenringträger weisen
zwar Flansche oder Keile 128, 130 auf, die in
entsprechenden Nuten sitzen, sind aber nicht an den übrigen Bestandteilen
der Gehäusehälften 116, 118 starr
befestigt. Durch thermische Distorsion hervorgerufene Spannungen
werden daher nicht auf die horizontalen Verbindungen übertragen,
und die Wahrscheinlichkeit von im Laufe der Zeit auftretenden Verzerrungen
der horizontalen Verbindung ist reduziert.
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Die oberen Hälften der Stopfbuchsenringträger 120 werden
in die obere Gehäusehälfte eingebaut,
und die die Träger
enthaltende obere Hälfte wird
anschließend
als Ganzes an der unteren Hälfte befestigt.
Die Stopfbuchsenringträger 120 werden
jeweils durch einen (oder mehrere) (nicht gezeigte) Haltekeil(e)
in deren Stellung gehalten. Stifte auf jeder Seite des Stopfbuchsenringträgers sorgen
für den übereinstimmenden
Sitz zwischen den oberen und unteren Hälften und Dichtungspassfedern 148 minimieren
eine Leckage entlang des einzelnen Trägers. Ferner ist, wie in 7 gezeigt, an der Fläche zwischen
dem Träger
und dem Gehäuse
um den Umfang herum, insbesondere an der Verbindungsstelle der Zunge 134 und
der Nut 132, eine Abdichtung vorgesehen. Die Flächen werden
durch einen differentiellen Druck über dem Stopfbuchsenringträger aneinandergedrückt. Ein
Teil der Fläche
ist sowohl auf dem Träger
als auch dem Gehäuse
spanabhebend geeignet bearbeitet, um eine enge Toleranz zu verwirklichen,
so dass wenn diese sich berühren
eine Dichtung gebildet wird.
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In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
ist die Breite der horizontalen Verbindung größer bemessen, so dass sich
Dichtungskeile 150 vorsehen lassen, um Leckage zu minimieren.
Außerdem lässt sich
die Verschraubung verbessern, indem anstelle von Schrauben drei
Bolzenschrauben verwendet werden, und es kann zum Ausrichten der
entsprechenden Hälften
der horizontalen Verbindung anstelle eines Stifts eine Passschraube
verwendet werden. Das Hinzufügen
von Dichtungspassfedern trägt
zum Reduzieren einer Leckage über
die Verbindung hinweg bei, indem die ebenmäßige Fläche unterbrochen und eine Sperre
für die
Strömung
vorgesehen wird. Durch die Verwendung von Bolzenschrauben anstelle
von Schrauben, lassen sich höhere
Vorspannungen verwirklichen, die die Flanschflächen besser zusammenhalten
können.
Was wiederum ein potentielles Auftreten von Leckage minimiert. Ferner
lässt sich
durch Verwenden einer Passschraube anstelle eines Stifts nochmals
zusätzliche
Bolzenschraubenkraft erzielen, um die Verbindungsflächen zusammenzuhalten,
indem höhere
Kräfte über die
Verbindung hinweg ausgeübt
werden. Der Stift (oder die Passschraube) trägt zu einem Fluchten der oberen und
unteren Hälften
bei. Diese Eigenschaften sind allesamt Verbesserungen gegenüber der
herkömmlichen
Praxis.
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Es ist einsichtig und zu würdigen,
dass die oberen und unteren Hälften
eines erfindungsgemäßen Stopfbuchsengehäuses in
einer im Wesentlichen herkömmlichen
Weise durch Schneiden, Formen und Schweißen von Stahlplatten hergestellt
werden können,
um obere und untere Gehäuserohteile
zu erzeugen. Falls erforderlich oder erwünscht, werden die oberen und
unteren Gehäuserohteile
anschließend bis
zu einem geeigneten Bohrungsdurchmesser spanabhebend bearbeitet,
um die Stopfbuch senringträger
darin anzubringen, und dabei obere und untere Gehäusehälften fertigzustellen.
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Die in Umfangsrichtung verlaufenden
Nuten, die dazu dienen, mit den Flanschen der Stopfbuchsenringträger in Eingriff
zu kommen, werden entlang des Innenumfangs der oberen und wie der
unteren Gehäusehälfte ausgeformt
und/oder spanabhebend erzeugt. Um das Herstellungsverfahren zu vervollständigen,
werden an dem Innenumfang der Gehäusehälften mehrere Stopfbuchsenringträger angeordnet,
die sämtliche
jeweils als ein oberflächenvergütetes spanabhebend
gefertigtes Teil bereitgestellt sind. Wie oben beschrieben, ist
jeder Stopfbuchsenringträger
jeweils ein Umfangsteilsegment mit einer Innenumfangsfläche, einer
in der Innenumfangsfläche
definierten Schwalbenschwanznut, die dazu dient, einen komplementär konfigurierten
Stopfbuchsenring aufzunehmen, einer Außenumfangsfläche und
einem radialen Flansch, der radial von der Außenumfangsfläche weg
ragt.
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Gemäß eines weiteren Merkmals der
Erfindung können
die Einlass- und Auslassdampfstromkanäle im Vergleich zu dem in 1-3 gezeigten dem Stand der Technik gemäßen Aufbau
vereinfacht werden. Diesbezüglich
weist das Gehäuse,
wie in 4-5 veranschaulicht, in einem ersten Ausführungsbeispiel
Einlass- und Auslassdampfstromkanäle 136, 138 auf,
die den Einlass- und Auslassdampfstromkanälen 36, 38 des
herkömmlichen
Aufbaus nach 1-3 ähneln. Wie in 8 zu sehen, können in einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung die Kanäle 236, 238 für den Einlass-
und Auslassdampfstrom so vorgesehen sein, dass ein Ein- oder Austreten
von Dampf anstelle an der gesamten unteren Hälfte lediglich an einem der
unteren Quadranten erfolgt, um die Herstellung des Stopfbuchsengehäuses zu
vereinfachen und zu verbilligen. Ein Vorteil dieses Aufbaus besteht
darin, dass sich die obere Hälfte
des Stopfbuchsengehäuses
wesentlich einfacher und kostengünstiger
herstellen lässt,
da sie im Wesentlichen eine Schale darstellt, die dazu dient die Stopfbuchsenringträger zu halten.
Da der Dampf in lediglich einen Quadranten eintritt, wird die spanabhebende
Bearbeitung und Herstellung zusätzlich
vereinfacht, weil die Dampfkanäle
nicht so kompliziert sind wie in der ursprünglichen Konfiguration.
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Ein nukleares Niederdruckstopfbuchsengehäuse mit
reduzierter Leckage an der horizontalen Verbindung. Dieses wird
verwirklicht, indem Stopfbuchsenringträger 120, 122 vorgesehen
sind, die unabhängig
von dem Gehäuse
ausgebildet werden, so dass sich durch thermische Distorsion hervorgerufene
Spannungen nicht auf die horizontalen Verbindungen 124, 126 übertragen.
In einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung sitzen die Stopfbuchsenringträger in dem Gehäuse in vorgefertigten
Nuten 128, 132, anstatt unmittelbar an das Gehäuse geschweißt zu sein.
Gemäß einem
weiteren, optionalen Merkmal der Erfindung erfolgt das Eintreten
oder Austreten des Einlass- oder Auslassdampfs 236, 238 lediglich an
einem der unteren Quadranten anstelle der gesamten unteren Hälfte, so
dass sich die Konstruktion des Stopfbuchsengehäuses vereinfachen lässt, um Herstellungs-
und Materialkosten zu senken.
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Die Erfindung wurde zwar anhand eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben, von dem gegenwärtig
angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, es
ist allerdings selbstverständlich,
dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt sein
soll, sondern vielmehr vielfältige
Abwandlungen und äquivalente
Anordnungen abdecken soll, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Es ist daher selbstverständlich,
dass, obwohl das in 5-7 veranschaulichte Stopfbuchsengehäuse drei Stopfbuchsenringträger 120, 122 aufweist,
die Zahl der Träger
abhängig
von der Stopfbuchsengehäusekonstruktion
und dem Dichtungssystem größer sein kann.
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- 10,
12
- halbringförmige Keilnuten
- 16,
18
- obere
und untere Hälften
- 20,
22
- Stopfbuchsenringträger
- 24,
26, 124, 126, 224, 226
- horizontale
Verbindungen
- 36,
38
- Einlass-
und Auslassdampfstromkanäle
- 110,
112
- Keilnuten
- 116
- obere
Gehäusehälfte
- 118
- untere
Gehäusehälfte
- 120,
122
- Stopfbuchsenringträger
- 128
- Nuten
oder Schlitze
- 130
- Flansche
oder Zungen
- 132
- Schlitze
oder Nuten
- 134
- Flansche
oder Zungen
- 136,
138
- Einlass-
und Auslassdampfstromkanäle
- 140
- Außenumfangsflächen
- 142
- Außenumfangsflächen
- 144,
146
- Innenumfangsflächen
- 148
- Dichtungskeile
- 150
- Dichtungskeile
- 236,
238
- Kanäle für den Einlass- und
Auslassdampfstrom