DE19742621A1 - Bauteil, insbesondere für eine Wellendichtung einer Strömungsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere für eine Wellendichtung einer Strömungsmaschine, aus einem ersten ge­ gossenen metallischen Werkstoff. Das Bauteil ist entlang ei­ ner Wellenachse gerichtet und weist eine zumindest bereichs­ weise in Umfangsrichtung zur Wellenachse geformte Innenwan­ dung, eine Außenwandung sowie ein Fluidleitungssystem auf. Das Fluidleitungssystem weist zumindest ein aus einem zweiten metallischen Werkstoff bestehendes Leitungssegment auf.

In der WO 97/04218 A1 ist ein Bauteil für einen Abgasstutzen einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Dampfturbine, und für ein in dem Abgasstutzen angeordnetes Lager der Strömungs­ maschine beschrieben. Das Bauteil ist einstückig gegossen und hat ein Stutzenteil und/oder ein Lagerteil zur Aufnahme des Lagers sowie eine Tragarmanordnung mit zumindest einem Trag­ arm. Das Bauteil weist eine Rohrleitung auf, welche durch ein Stutzenteil, einen Tragarm und ein Lagerteil hindurchführt und in das Bauteil eingegossen ist. Das Bauteil besteht aus einem Gußeisenwerkstoff, vorzugsweise einem Sphäroguß. Die Rohrleitung ist vorzugsweise aus einem Stahl gefertigt. Die beschriebene Rohrleitung kann hierbei eine einfache Rohrlei­ tung aus einem einzelnen Rohr oder eine isolierende Rohrlei­ tung in einem Tragarm aus einem Außenrohr und in dem Außen­ rohr verlegten und gegen dieses isolierten Innenrohr beste­ hen. Die isolierenden Rohrleitungen dienen der Zufuhr heißer Fluide zu einer Wellendichtung oder zur Abfuhr heißer Fluide von einer Wellendichtung. Solche heißen Fluide sind z. B. Dampf der dem Lager zu Abdichtungszwecken zugeführt wird, und Wasserdampf, also Dampf, welcher aus dem Lager heraus­ leckt, gegebenenfalls durch Luft und/oder Öldunst verunrei­ nigt ist und abgeführt werden muß. Mit der Ausgestaltung des Bauteils gemäß der WO 97/04218 A1 wird die Zielrichtung ver­ folgt, mit möglichst geringem Aufwand ein Bauteil bereitzu­ stellen, welches hinsichtlich der zur Versorgung des Lagers notwendigen Zu- und Ableitungen den verfügbaren Raum so gut wie möglich ausnutzt, um die Strömung des Strömungsmittels der Strömungsmaschine so wenig wie möglich zu beeinträchti­ gen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil, insbesondere für eine Wellendichtung einer Strömungsmaschine, anzugeben, durch welches hindurch Fluid von einer Außenwandung an eine Innen­ wandung oder umgekehrt gebracht werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für ein eingangs genanntes Bauteil dadurch gelöst, daß ein Fluidleitungssystem vorgese­ hen ist, das die Innenwandung strömungstechnisch mit der Außenwandung verbindet, wobei das Leitungssegment zumindest bereichsweise in Umfangsrichtung gerichtet ist und zur Her­ stellung einer strömungstechnischen Verbindung mit der Innen­ wandung zumindest eine Öffnung, insbesondere einen Schlitz, aufweist.

Der Schlitz wird vorzugsweise nach dem Abgießen mechanisch hergestellt, z. B. durch Drehen oder Zirkular-Fräsen.

Alternativ oder zusätzlich hierzu ragt das Leitungssegment aus der Außenwandung heraus. Durch ein Herausragen aus der Außenwandung ist eine einfache Möglichkeit geschaffen, das Leitungssegment außerhalb des Bauteils an ein Zuleitungs- oder Ableitungssystem für ein Fluid anzuschließen. Der zweite Werkstoff ist hierzu vorzugsweise gut schweißbar, insbeson­ dere ein Stahl, so daß durch Anschweißen des Leitungssegmen­ tes an ein Ableitungs- oder Zuleitungssystem eine dichte Ver­ bindung einfach herstellbar ist. Das Leitungssegment kann außerhalb des Bauteils auch einen Flansch oder ähnliches für eine dichte Verbindung aufweisen. Hierdurch ergeben sich er­ hebliche Kosteneinsparungen und durch den Wegfall der mecha­ nischen Bearbeitung für Rohrleitungsanschlüsse, da an die eingegossenen Rohre direkt angeschweißt werden kann.

Ein in Umfangsrichtung angeordnetes Leitungssegment, welches eine strömungstechnische Verbindung mit der Innenwand her­ stellt, bildet auf einfache Art und Weise einen Teil einer Ringkammer, welche keiner weiteren mechanischen Bearbeitung bedarf. Gegenüber der bisherigen Praxis kann man, insbeson­ dere Ringkammern, für ein Wellendichtungssystem entweder di­ rekt in eine Welle umgebendes Gehäuse einzugießen (??) oder mechanisch zu bearbeiten, gibt das Bauteil mit den in Um­ fangsrichtung gerichteten Leitungssegmenten eine konstruktiv deutlich vereinfachte Ausgestaltung an. Dies gilt auch im Vergleich zu Kammern, welche durch den Einbau von Ringen oder Buchsen erzeugt werden. Das in Umfangsrichtung geführte Lei­ tungssegment bildet vorzugsweise einen Halbring, wobei durch Zusammenfügen zweier eine Welle umgebenden Bauteile ein voll­ ständiger die Welle umgebender Ring gebildet wird.

Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung eines Fluidlei­ tungssystems mit dem Leitungssegment aus einem zweiten metal­ lischen Werkstoff, wenn der erste Werkstoff im wesentlichen aus Eisen besteht und als sphäroidischer Guß (auch als Sphäro-Guß bezeichnet) ausgeführt ist. Da an ein Bauteil aus einem Sphäro-Guß Rohrleitungen schwer oder nur mit z. T. unge­ nügender Festigkeit angeschweißt werden können, bietet ein aus der Außenwandung herausragendes Leitungssegment eine her­ vorragende Möglichkeit, auf einfache Art und Weise eine hoch­ feste und dichte Schweißverbindung mit einem Zuleitungs- oder Ableitungssystem herzustellen. Sphäro-Guß ist hierbei ein Guß­ eisenwerkstoff, der sich in festem Zustand auszeichnet durch etwa kugelförmige Graphitausscheidungen in einer metallischen Matrix. Er unterscheidet sich damit von gewöhnlichem Gußei­ sen, welches flockenförmige Ausscheidungen von Graphit auf­ weist. Sphäro-Guß zeichnet sich durch seine gute Gießbarkeit sowie durch eine gute Spanbarkeit aus. Sphäro-Guß kann mit ge­ ringem Aufwand spanend bearbeitet werden, so daß Kontaktflä­ chen des Bauteils mit anderen Komponenten mit einer vorgege­ benen Maßhaltigkeit ausführbar sind. Der zweite Werkstoff ist vorzugsweise ein Stahl, d. h. ein Eisenwerkstoff, der sich ge­ genüber einem Gußeisenwerkstoff durch einen deutlich geringe­ ren Gehalt an Kohlenstoff und damit verbunden eine deutlich höhere Duktilität und einen wesentlich höheren Schmelzpunkt auszeichnet. Im allgemeinen schmilzt ein Stahl erst bei einer um etwa 200°C höheren Temperatur als ein Gußeisenwerkstoff. Dies bedeutet, daß ein Stahlrohr nicht schmilzt, wenn es in ein Bauteil eingegossen, d. h. in die zum Gießen des Bauteils vorgesehene Form eingebaut und mit dem flüssigen Gußeisen­ werkstoff umgossen wird. Einer eventuell beeinträchtigenden Formstabilität aufgrund der immerhin recht hohen Temperatur, der das Rohr ausgesetzt wird, kann begegnet werden dadurch, daß das Rohr mit Sand oder einem anderen geeigneten Füll­ stoff, insbesondere einem später aufschmelzbaren Füllstoff, gefüllt wird. Je nach Anwendungsfall des Bauteils können in Ansehung der Zweckbestimmung des Gußeisenwerkstoffs und des Stahls bestimmte Elemente zulegiert sein. Als schweißbarer Stahl kommt beispielsweise ein als ST 37 bekannter Stahl in Betracht.

Das Leitungssegment ist vorzugsweise ein Rohr und hat eine Wandstärke von über 5 mm, insbesondere zwischen 8 mm und 12 mm. Vor Eingießen des Leitungssegmentes in das Bauteil kann es an seiner Außenoberfläche Rippen oder ähnliche Erhö­ hungen aufweisen, welche bei Kontakt mit dem heißen geschmol­ zenen Gußeisenwerkstoff aufschmelzen und dadurch eine gute Verbindung des Leitungssegmentes mit dem Guß gewährleisten. Die Rippen können beispielsweise eine Höhe von etwa 20 mm aufweisen.

Das Bauteil ist vorzugsweise Bestandteil eines halbschaligen Turbinengehäuses, insbesondere eines Außengehäuses einer Dampfturbine. Nach einem Zusammenbau des Turbinengehäuses um­ gibt das Bauteil eine Turbinenwelle im Bereich einer Wellen­ dichtung, wobei vorzugsweise ein Fluidleitungssystem der Ab­ fuhr von Wrasendampf und ein weiteres Fluidleitungssystem der Zufuhr von Sperrdampf dient. In dem Fluidleitungssystem zur Zuführung von Sperrdampf wird ein Druck von etwa 1,05 bar ein leichter Überdruck und in dem Fluidleitungssystem zur Absau­ gung von Wrasendampf ein geringer Unterdruck von etwas unter einem Bar eingestellt. Hierdurch ist eine Dichtigkeit der Wellendichtung sowie eine Absaugung von Wrasendampf gewähr­ leistet.

Das Leitungssegment ist vorzugsweise eine einfache Rohrlei­ tung zum Transport eines Fluids. Dieses Fluid kann eine Tem­ peratur haben, welche mit der Temperatur eines durch die Strömungsmaschine strömenden Fluides ungefähr übereinstimmt, so daß aufgrund von Temperaturunterschieden der Fluide allen­ falls mit geringen thermomechanischen Spannungen zu rechnen ist. Falls eine einfache Rohrleitung nicht ausreicht, kann auch eine isolierende Rohrleitung mit einem eingegossenen Außenrohr und einem in dem Außenrohr verlegten und gegen die­ ses isolierten Innenrohr vorgesehen sein. Eine solche isolie­ rende Rohrleitung ist besonders geeignet zum Transport eines Fluides, dessen Temperatur von der Temperatur des Bauteils und des dieses umströmenden Strömungsmittels wesentlich ab­ weicht. Eine solche isolierende Rohrleitung kann dann zum Einsatz kommen, wenn die Temperatur des Sperrdampfes oder des Wrasendampfes hoch ist, um eine unerwünschte Kondensation zu vermeiden. Der Sperrdampf oder der Wrasendampf wird in diesem Fall vorzugsweise durch das Innenrohr geführt. Um einen Spalt zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr in einer isolieren­ den Rohrleitung zu gewährleisten, können Abstandshalter, wie beispielsweise Sterne, die auf das Innenrohr aufgeschoben werden, verwendet werden. Das Innenrohr kann auch außensei­ tige Rippen und/oder das Außenrohr innenseitige Rippen auf­ weisen, die eine entsprechende Beabstandung zwischen Außen­ rohr und Innenrohr gewährleisten. Die Verwendung keramischer Abstandshalter ist ebenfalls möglich; gegebenenfalls kann der Spalt auch mit einem isolierenden Material ausgeführt sein.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiele wird das Bauteil näher erläutert. Es zeigen teilweise schematisiert und nicht maßstäblich:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Mitteldruck- Teildampfturbine,

Fig. 2 eine Anordnung mit zwei Fluidleitungssystemen in räumlicher Darstellung,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Leitungssegment,

Fig. 4 einen Schnitt senkrecht zur Wellenachse der Dampf­ turbine nach Fig. 1,

Fig. 5 und 6 einen Schnitt entlang der Wellenachse durch das Fluidleitungssystem nach Fig. 2.

Die Bezugszeichen besitzen in jeder Figur jeweils die gleiche Bedeutung.

In Fig. 1 ist eine Strömungsmaschine 11, insbesondere eine Mitteldruck-Teildampfturbine, dargestellt. Diese weist eine entlang einer Wellenachse 8 gerichtete Turbinenwelle 15, ein die Turbinenwelle 15 umgebendes Innengehäuse 14 und ein das Innengehäuse 14 umgebendes Turbinengehäuse 10 (Außengehäuse) auf. Die Dampfturbine 11 ist zweiflutig ausgeführt und weist entsprechend fachbekannte Ausführungen bezüglich Dampfeinlaß, Dampfauslaß, Turbinenleitschaufeln und Turbinenlaufschaufeln auf, auf die hier nicht näher eingegangen wird. An zwei sich entlang der Turbinenwelle 8 entgegenliegenden Enden weist das Turbinengehäuse 10, welches aus zwei Hälften zusammengesetzt ist, eine Wellendichtung sowie ein Bauteil 1 zur Zuführung von Sperrdampf und zur Abführung von Wrasendampf auf. Das Bauteil 1, welches ein integraler Bestandteil des gegossenen Turbinengehäuses 10 ist, weist eine an der Turbinenwelle 15 anliegende Innenwandung 2 und eine Außenwandung 3 auf. Wei­ terhin weist es zwei Fluidleitungssysteme 4, 4a auf, die axial voneinander beabstandet sind und jeweils ein halbkreis­ ringförmiges Leitungssegment 6 (siehe Fig. 2) besitzen. Das kreisringförmig ausgebildete Leitungssegment 6 weist einen der Turbinenwelle 15 zugewandten, in Umfangsrichtung verlau­ fenden Schlitz 7 auf. Der Schlitz wird vorzugsweise nach dem Abgießen mechanisch hergestellt. Durch den Schlitz 7 des Fluidleitungssystems 4a ist Sperrdampf zwischen das Turbinen­ gehäuse 10 und die Turbinenwelle 15 im Bereich der Wellen­ dichtung 9 zuführbar. Durch den Schlitz 7 des Fluidleitungs­ systems 4 ist Wrasendampf absaugbar.

In Fig. 2 sind das Fluidleitungssystem 4a zur Zuführung bzw. Abführung von Sperrdampf und das Fluidleitungssystem 4 zur Abführung von Wrasendampf in räumlicher Darstellung gezeigt, wie sie in ein Bauteil 1 einer Hälfte eines längsgeteilten Turbinengehäuses 10 eingegossen werden. Jedes der Fluidlei­ tungssysteme 4, 4a besteht aus einem halbringförmigen Lei­ tungssegment 6, an das ein weiteres Leitungssegment 5 (Fluidleitungssystem 4 für Wrasendampf) bzw. zwei Leitungs­ segmente 5 (Fluidleitungssystem 4a für Sperrdampf) ange­ schlossen ist bzw. sind. Die Leitungssegmente 5 sind radial nach außen gerichtet und ragen aus dem Bauteil 1 so weit hin­ aus, daß eine Schweißverbindung mit einem nicht dargestellten Zuleitungs- oder Ableitungssystem einfach herstellbar ist. Die halbringförmigen Leitungssegmente 6 weisen jeweils einen Schlitz 7 in Umfangsrichtung auf, welcher einer Turbinenwelle 15 (siehe Fig. 1) zugeordnet ist.

In Fig. 3 ist ein Leitungssegment 5 ausschnittsweise in ei­ nem Längsschnitt dargestellt. Es ist als einfaches Rohrlei­ tungsstück ausgeführt, welches an seiner Außenoberfläche 12 in Umfangsrichtung einen angeschweißten Ring 13 (Rippe 13) aufweist. Der Ring 13 weist eine umlaufende Spitze auf, die mit dem Gußteil verschmilzt. Die Leitungssegmente 5, 6 können auch als ein ineinandergeschaltetes Doppelrohr ausgeführt sein, wobei in einem Außenrohr ein Innenrohr mit geringerem Durchmesser geführt ist.

Fig. 4 zeigt in axialer Richtung einen mehrschichtigen Schnitt durch die Fluidleitungssysteme 4, 4a gemäß Fig. 2, und zwar für eine untere Hälfte des Turbinengehäuses 10. Die Leitungssegmente 5 sind gegenüber einer vertikal um einen je­ weiligen spitzen Winkel geneigt.

In Fig. 5 ist ein Schnitt parallel zur Wellenachse 8 durch das Bauteil 1 durch die Leitungssegmente 5, 6 des Fluidlei­ tungssystems 4a zur Zuleitung von Sperrdampf dargestellt. Das aus dem Bauteil 1 herausragende Leitungssegment 5 ist leicht gekrümmt geführt, so daß es in der selben, zur Wellenachse 8 senkrechten Ebene aus dem Bauteil 1 austritt, wie das Lei­ tungssegment 5 des Fluidleitungssystems 4. Deutlich zu er­ kennen ist auch, daß das Leitungssegment 6 des Fluidleitungs­ systems 4 eine ringförmige Kammer mit einem Kreisquerschnitt bildet, welche über eine Öffnung 7, den Schlitz, mit der In­ nenwandung 2 verbunden ist.

Analog zeigt Fig. 6 einen Schnitt durch das Fluidleitungssy­ stem 4 mit dem Leitungssegment 6. Auch hier ist erkennbar, daß das Fluidleitungssystem 4 durch das Leitungssegment 6 eine Kammer mit kreisförmigem Querschnitt bildet. Die Lei­ tungssegmente 5 können einen Durchmesser von über 10 cm auf­ weisen.

Die Leitungssegmente 5, 6 jedes Fluidleitungssystems 4, 4a bestehen vorzugsweise aus Stahl. Sie werden eingegossen, in­ dem sie vor dem Guß des Bauteils 1 in die zugehörige Gußform eingebaut und mit dem Guß von dem Gußeisenwerkstoff einge­ hüllt werden. Da der Schmelzpunkt eines Stahls üblicherweise deutlich über dem Schmelzpunkt eines Gußeisenwerkstoffs liegt, schmelzen die Leitungssegmente 5, 6 bei dieser Proze­ dur nicht. Um zu verhindern, daß sie sich verbiegen oder an­ derweitig verformen, werden sie vor dem Guß mit einem geeig­ neten Füllstoff, insbesondere Sand, gefüllt und in einem Kernkasten fixiert. Zum Gießen des Bauteils 1, welches ein integraler Bestandteil des Turbinengehäuses 10 ist, stehen alle bekannten Form- und Gießverfahren zur Verfügung. Am ko­ stengünstigsten, und daher vorzugsweise, wird im Sandgußver­ fahren gegossen, d. h. die Gußform wird mit Sand gefüllt und der Gußeisenwerkstoff in die so gebildete Gußform abgegossen.

Die Erfindung zeichnet sich durch ein Fluidleitungssystem in einem Bauteil insbesondere für eine Wellendichtung aus, bei der ein in Umfangsrichtung gebogenes Leitungssegment mit ei­ ner Öffnung zur Turbinenwelle hin vorgesehen ist. Vorzugs­ weise ist zusätzlich ein Leitungssegment, vorzugsweise in ra­ dialer Richtung gerichtet, vorgesehen, welches aus dem Bau­ teil 1 herausragt und zumindest dort aus einem gut schweißba­ ren Werkstoff, insbesondere Stahl, besteht. Hierdurch ist durch Schweißen eine feste und dichte Verbindung mit einem Zuleitungs- oder Ableitungssystem erreichbar. Vorzugsweise findet das Bauteil Anwendung bei einer Dampfturbine zur Zu­ führung von Sperrdampf und Abführung von Wrasendampf.

Claims (8)

1. Bauteil (1), insbesondere für eine Wellendichtung (9) einer Strömungsmaschine (11), aus einem ersten gegossenen metallischen Werkstoff, welches entlang einer Wellenachse (8) gerichtet ist, welches aufweist eine zumindest bereichsweise in Umfangsrichtung zur Wellenachse (8) geformte Innenwandung (2), eine Außenwandung (3) sowie ein Fluidleitungssystem (4, 4a, 4b), welches Fluidleitungssystem (4, 4a, 4b) die Innenwandung (2) strömungstechnisch mit der Außenwandung (3) verbindet und welches zumindest ein aus einem zweiten metallischen Werkstoff bestehendes Leitungssegment (5, 6) aufweist, wobei das Leitungssegment (5, 6) zumindest bereichsweise in Umfangsrichtung gerichtet ist sowie zur Herstellung einer strömungstechnischen Verbindung mit der Innenwandung (2) zumindest eine Öffnung (7), insbesondere einen Schlitz, aufweist und/oder aus der Außenwandung (3) herausragt.

2. Bauteil (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Werkstoff im wesentlichen aus Eisen besteht und als sphäroidischer Guß ausgeführt ist.

3. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zweite Werkstoff, insbesondere ein Stahl, gut schweißbar ist.

4. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Leitungssegment (5, 6) ein Rohr ist.

5. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Leitungssegment (5, 6) eine Wandstärke von über 5 mm, insbesondere zwischen 8 mm und 12 mm, aufweist.

6. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches einem halbschaligen Turbinengehäuse (10) zugeordnet ist.

7. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine Dampfturbine (11), wobei ein Fluidleitungssystem (4) der Abfuhr von Wrasendampf und eine weiteres Fluidleitungssystem (4a) der Zufuhr von Sperrdampf dient.

8. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dessen Herstellung als Leitungssegment (5, 6) ein Rohr mit einer an seiner Außenoberfläche (12) angeordneten Rippe (13) verwendet wird.