DE2413655A1 - Verfahren und vorrichtung zum erhoehen der dynamischen leistungsgrenze von turbinen und verdichtern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erhoehen der dynamischen leistungsgrenze von turbinen und verdichtern

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Description

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft
Nürnberg, 13.März 1974
Verfahren und Vorrichtung zum Erhöhen der dynamischen Leistungsgrenze von Turbinen und Verdichtern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhöhen der dynamischen Leistungsgrenze von dampf- oder gasdurchströmten Turbinen oder Verdichtern mit in Spalten zwischen- umlaufenden und feststehenden Bauteilen angeordneten berührungsfreien Dichtungen.
An Läufern von thermischen Turbomaschinen sind selbsterregte Schwingungen eine seit langem bekannte, hin und wieder aufgetretene Erscheinung. Das äußere Merkmal solcher selbsterregter Schwingungen ist, daß sie plötzlich bei einer bestimmten Drehzahl oder bei einem bestimmten Belastungszustand der vorher ruhig laufenden Maschine einsetzen und ebenso plötzlich verschwinden, wenn man unter die kritische Grenze heruntergeht. Die Frequenz der einsetzenden Schwingungen entsprach stets der ersten kritischen Drehzahl des Läufers. ·
Unter der "dynamischen Leistungsgrenze" im Sinne dieser Anmeldung soll daher jene Grenzleistung verstanden werden, ab welcher die Laufstabilitat des Läufers nicht mehr gegeben ist, wo also - physikalisch gesehen - bei Erregung einer Eigenschwingung der Turbinen- oder Verdichterwelle durch kleine Störungen ein Aufschaukeln selbsterregter Schwingungen zu sehr großen Amplituden auftritt.
03.8347 50 9 8 AO/014 5 ·/·
Da eine Laststeigerung über die erwähnte Grenzleistung hinaus ohne Gefährdung wesentlicher Teile, wie insbesondere der Lager, der Dichtungen und des Läufers, der Maschinenanlagen nicht möglich ist, ist es bekannt, zur Erzielung einer ausreichenden, d.h. einer über der größten installierten Leistung liegenden, Grenzleistung die Lauferwellen entsprechend stark zu dimensionieren. Dies führt jedoch manchmal zu relativ starken Läufern und damit zu großen Aufwendungen an Material.
Mir die erwähnten selbsterregten Schwingungen eines Läufers oder Wellenstranges von Turbinen sind bisher eine ganze Reihe von möglichen Ursachen, u.a. hydrodynamische Selbsterregung der Wellenzapfen im Schmierölfilm der Traglager j 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, bekanntgeworden. 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 dynamischen Auslenkung des Läufers aus der zentralen Lage entstehen - als
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Folge der unterschiedlichen radialen Spaltweiten an den Schaufeln - unterschiedliche Umfangskräfte am Laufradumfang, die sich zu einer resultierenden Umfangstraft addieren, die auf der Seite der Durchbiegung liegt und senkrecht zur Durchbiegung gerichtet ist. Befindet sich der Läufer in einem zirkumpolaren Schwingungszustand, so eilt -die-Resultierende der Umfangskräfte in ihrem Richtungssinn der Durchbiegung und damit dem Schwingungsweg des Läufers genau um 90 voraus. Die resultierende seitliche Komponente der Umfangskraft, die im Schrifttum überwiegend als Querkraft bezeichnet wird, steht senkrecht auf der momentanen Auslenkungsrichtung und wirkt schwingungsanregend.
Es ist ferner bekannt, daß die Spaltströme in Stopfbuchsen und Labyrinthen eine der Spalterregung verwandte Erregung erzeugen können. Ihren Einfluß auf die Stabilitätsgrenze hat man jedoch bisher als gering erachtet.
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 Zu-
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sammenhang weniger interessante Rückstellkraft E 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 - 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 Deckbändern, 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 C der Spaltströmung, die resultierende Kraft E 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 Turbinengittern 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
05.8347 ./.
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eine Durchmesseryergrößerung der Lextapparatdichtungen, und daraus folgend eine Verringerung des inneren Turbinenwirkungsgrades, mit sich gebracht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der dynamischen Grenzleistung zu schaffen. .
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß die Stabilitätsgrenze eines schwingungsfähigen Systems auch dadurch erhöht werden kann, daß man die schwingungsanregenden Kräfte vermindert und/oder die schwingungsdämpfenden bzw. sehwingungsmindernden Kräfte erhöht.
Die der Erfindung zugrunde Aufgabe wird - nach dem Verfahrensanspruch 1 - dadurch gelöst, daß - bei Turbinen ~ eine 'im Drehsinn des .Schwingungsvektors der Eigenschwingung positiv definierte Umfangskomponente der Spaltströmung entsprechend vermindert wird, bzw. daß, bei Verdichtern .- eine entgegen dem Drehsinn' des Schwingungsvektors positiv definierte Umfangskomponente der Spaltströmung entsprechend erhöht wird.
Speziell bei Turbinen, bei denen der Schwingungsvektor der selbsterregten Eigenschwingung gleichsinnig zur Drehrichtung des Turbinenläufers umläuft, besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß eine in Drehrichtung des Turbinenläufers positiv definierte Umfangskomponente der Spaltströmung so vermindert wird, daß die dem Schwingungsausschlag um 90° vorauseilende Kraftkomponente aus der Druckverteilung in den berührungsfreien Dichtungen vermindert, aufgehoben oder in ihrem Eichtungssinn umgekehrt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß vor und/oder im
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Spaltbereich der berührungsfreien Dichtungen strömungsleitende Bauteile wie Umlenkbleche, Rippen, Profile, Kanäle od. dgl. vorgesehen sind, oder daß vor und/oder im Spältbereich der berührungsfreien Dichtungen Sperroder Misehniedium mit geringer, ohne, oder mit negativer Umfangskomponente eingeleitet wird.
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 auf Grund 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 Torrichtung schematisch dargestellt. Es zeigt:.
ELg. 1 ein Diagramm der Druckverteilung einer drallfrei durchströmten "exzentrischen" Dichtung,
Fig. 2 ein Diagramm der Druckverteilung bei Turbinen mit "exzentrischen" Dichtungen, wobei eine in Drehrichtung o3 des Läufers weisende Umfangskomponente c der Spaltströmung positiv definiert ist,
05.8347 ./.
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Pig. 3ä einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch die Läuferachse mit strömungsführenden Bauteilen vor den Dichtungskammern,
Pig. 3b einen Schnitt gemäß der Linie I-I nach Pig. 3a,
Pig. 4 einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch die
Läuferachse mit strömungsführenden Bauteilen - in Dichtungskammern,
Pig. 5 einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch die Läuferachse mit gewindeartiger Eintrittspartie der Dichtung,
Pig. 6 einen Schnitt gemäß der Linie A-A nach Pig. 5,
Pig. 7 einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch die Läuferachse mit Beeinflussung der Spaltströmungsumfangskomponente durch Beimischung von Strömungsmedium und ■
Pig. 8 einen Schnitt gemäß der Linie B-B nach Pig. 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 Porm einer Labyrinthdichtung mit Dichtungskammern angeordnet.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß den Pig. 3 und 4 sind im, Spaltbereich'vor oder in den Dichtungen 5 strömungsführende Bauteile 6, die TJmlenkbleche, Rippen, Profile, Kanäle od. 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 Pail
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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 Spaltströmungsumfangskomponente durch Beimischung von Dampf oder Verwendung von Sperrdampf 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.
Bei anisotroper Lagerung des Läufers braucht der Einsatz der vorbeschriebenen Maßnahmen (strömungsführende Bauteile und dgl.) nicht am Umfang gleichmäßig erfolgen, sondern kann im Bereich des größten Schwingungsausschlages konzentriert sein.
°5·8347 509840/OUS

Claims (4)

  1. sk/kr
    Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg
    Aktiengesellschaft
    Nürnberg, 13. März 1974
    Pat entansprüche
    ©Verfahren zum Erhöhen der dynamischen Leistungsgrenze von dampf- oder gasdurchströmten Turbinen oder Verdichtern mit in Spalten zwischen umlaufenden und feststehenden Bauteilen angeordneten berührungsfreien Dichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Drehsinn des Schwingungsvektors der Eigenschwingung positiv definierte Umfangskomponente der Spaltströmung entsprechend vermindert bzw. eine .entgegen dem Drehsinn des Schwingungsvektors positiv definierte Umfangskomponente der Spaltströmung entsprechend erhöht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, ausgenommen Verdichter, wobei der Schwingungsvektor der selbsterregten Eigenschwingung gleichsinnig zur Drehrichtung des Turbinenläufers umlauft, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Drehrichtung des Turbinenläufers positiv definierte Umfangskomponente der Spaltströmung so vermindert wird, daß die dem Schwingungsausschlag um 90° vorauseilende Kraftkomponente aus der Druckverteilung in den berührungsfreien Dichtungen vermindert, aufgehoben oder in ihrem Richtungssinn umgekehrt wird.
  3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch vor und/oder
    03.8347 /
    609840/014$ #/#
    im Spaltbereich der "berührungsfreien Dichtungen (5) vorgesehene strömungsleitende Bauteile (6) wie Umlenkbleehe, Rippen, Profile, Kanäle od. dgl.
  4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch vor und/oder im Spaltbereich der berührungsfreien Dichtungen (5) eingeleitetes Sperr- oder Mischmedium mit geringer, ohne, oder mit negativer Umfangskomponente.
    ο Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4} dadurch gekennzeichnet, daß die strömungsleitenden Bauteile (6) bzw. das Einleiten des Sperr- oder Mischmediums im Bereich des größten Schwingungsausschlages konzentriert sind bzwo ist.
    509840/0145
    Leerseite
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