DE2413655C3 - Einrichtung zum dynamischen Stabilisieren des Läufers einer Gas- oder Dampfturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum dynamischen Stabilisieren des Läufers einer Gas- oder Dampfturbine mit Dichtspalten zwischen Läufer und Gehäuse.

An Läufern von Dampfturbinen, insbesondere Hochdruckläufern sehr großer Dampfturbinen, sind hier und da drehzahlfremde Biegeschwingungen aufgetreten, die einen weiteren Betrieb thermodynamisch richtig ausgeführter Turbinen ohne Gefährdung wesentlicher Turbinenteile, insbesondere der Lager, der Dichtungen und des Läufers, unmöglich machten. Für diese selbsterregten Schwingungen sind eine ganze Reihe von Ursachen bekannt, u.a. dampfseitige Anfachung durch die Spaltströmungen in der Turbine (vgl. hierzu z. B. Bulletin de 1ΆΙΜ 71 [1958], Nr. 11/12, Seite 1039 bis 1063).

Im Zusammenhang mit der dampfseitigen Anfachung durch Spaltströmungen wurde bisher bei der Konzeption der Turbinen nur die Erregung aus dem Spaltverlust berücksichtigt. Für diesen in manchem Schrifttum auch mit »Spalterregung« bezeichneten Anregungsmechanismus ist folgendes wesentlich:

Eine dynamische Auslenkung des Läufers aus der Gehäusemitte führt zu unterschiedlichen radialen Spaltweiten an den Schaufelgittern. Damit verändern sich der örtliche Spaltverlust und die Verteilung der Umfangskräfte am Laufrad, die eine resultierende Querkraft an der Welle zur Folge haben. Diese Querkraft steht senkrecht auf der momentanen Auslenkrichtung und wirkt — bei Gleichsinnigkeit des Umlaufsinnes der selbsterregten Biegeschwingung und der Drehrichtung des Läufers — schwingungsanregend.

Es ist ferner bekannt, daß die Spaltströme in Stopfbuchsen und Labyrinthen eine der Spalterregung verwandte Erregung erzeugen können, jedoch war man bisher der Ansicht, daß ihr Einfluß auf die dynamische Grenzleistung großer Dampfturbinen gering ist. Dieser Einfluß wurde daher bisher vernachlässigt.

Indessen haben neuere — nicht zum Stand der Technik zählende — Versuche gezeigt, daß bei einer radialen Auslenkung des Läufers sich in den Dichtspalten eine unsymmetrische Druckverteilung einstellt, die erhebliche Eigenschwingungen anregende Kräfte hervorruft. So kamen bei den Versuchen auch echte Labyrinthdichtungen zur Anwendung; dabei betrug die Intensität der Erregung maximal bis zum Zweifachen jener aus dem Spaltverlust.

Die Druckverteilung in exzentrischen Dichtungen ist unter den Voraussetzungen drallfreier Zuströmung und nicht bewegter Wandungen bekannt und erforscht. Wie in F>c.! 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 Zusammenhang weniger interessante Rückstellkraft R auf, aber keine Querkraft Q senkrecht zur Auslenkrichtung und somit auch keine ausschlagabhängige schwingungsanregende Kraft. Daraus wird gefolgert, daß die Ursache der — durch die erwähnten Versuche festgestellten — vorhandenen Schwingungsanregung dort zu suchen ist, wo die tatsächlichen Verhältnisse bei Turbinen von dem vorher beschriebenen, in F i g. 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 F i g. 2 schematisch dargestellt, wobei außerdem noch die mittlere Umfangskompenente Gder Spaltströmung, die resultierende Kraft R, die Querkraft Q und die Rückstellkraft R* jeweils aus der Druckverteilung, 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 verstärkt angeregt 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 eine Durchmesservergrößerung der Leitapparatdichtungen und daraus folgend eine Verringerung des inneren Turbinenwirkungsgrades mit sich gebracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Erhöhung der dynamischen Grenzleistung nicht durch erhöhte Steifigkeit des Läufers, sondern durch Vermindern der schwingungsanregenden Kräfte (Erregerkräfte) oder Erhöhen der schwingungsmindernden Kräfte erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leckströmung in den Dichtspalten eine Umfangskomponente erhält, die der Drehrichtung des Läufers entgegengesetzt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind vor und/oder im Spaltbereich der Dichtspalten strömungsleitende Bauteile, insbesondere Umlenkbleche, Rippen, Profile, Kanäle, vorgesehen.

Die Umfangskomponente, die die Längsströmung durch die erfindungsgemäße Einrichtung erhält, addiert sich im algebraischen Sinn zu der Umfangskomponente, die die Leckströmung ohne die erfindungsgemäße Einrichtung aufweist, wobei die resultierende Umfangskomponente in oder entgegen der Drehrichtung wirken oder den Wert Null annehmen kann. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann somit nicht nur die auf der ungleichförmigen Druckverteilung in Dichtungen beruhende Verringerung der dynamischen Grenzleistung sondern eanz alicemein iede Verringe-

rung der dynamischen Grenzleistung auf Grund von selbsterregenden Schwingungen vermieden werden. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen besteht insbesondere darin, daß eine solcherart erhöhte dynamische Grenzleistung keinen nachteiligen Einfluß bezüglich des Durchmessers der Leitapparatdichtungen und damit des inneren Turbinenwirkungsgrades mit sich bringt.

In der Zeichnung sind zwei Druckverteilungsdiagramme und mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung schematisch dargestellt Es zeigt

Fig. 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 ω des Läufers weisende Umfangskomponente c_u der Spaltströmung positiv definiert ist,

F i g. 3a einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch die Läuferachse mit strömungsleitenden Bauteilen vor den Dichtungskammern,

F i g. 3b einen Schnitt gemäß der Linie 1-1 nach F i g. 3a,

F i g. 4 einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch die Läuferachse mit strömungsleitenden Bauteilen in Dichtungskammern,

Fig. 5 einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch die Läuferachse mit gewindeartiger Eintrittspartie der Dichtung,

Fig.6 einen Schnitt gemäß der Linie A-A nach Fig. 5,

F i g. 7 einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch die Läuferachse mit Beeinflussung der Spaltströmungsumfangskomponente durch Beimischung von Strömungsmedium und F i g. 8 einen Schnitt gemäß der Linie B-B nach F i g. 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 Form einer Labyrinthdichtung mit Dichtungskammern angeordnet. Die Drehrichtung des Läufers ist in den F i g. 3b, 6 und 8 durch entsprechende Pfeile und den Buchstaben υ angegeben.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 3 und 4 sind im Spaltbereich vor (F i g. 3) oder in (F i g. 4) den Dichtungen 5 strömungsleitende Bauteile, die Umlenkbleche, Rippen 6, Profile, Kanäle od. dgl. sein können, über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet. Die strömungsleitenden Bauteile sind so ausgebildet und angeordnet, daß sie — vorausgesetzt, der Schwingungsvektor der selbsterregten Eigenschwingung läuft gleich sinnig zur Drehrichtung des Turbinenläufers um — die in Drehrichtung des Turbinenläufers positiv definierte mittlere Umfangskomponente der Spaltströmung so stark verringern, wodurch die dem Schwingungsausschlag der Läuferschwingung um 90° vorauseilende Kraftkomponente aus der Druckverteilung vermindert, aufgehoben oder in ihrem Richtungssinn umgekehrt wird. Im letzteren Fall kann beispielsweise gleichzeitig der Erregung aus dem Spaltverlust entgegengewirkt werden.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 5 und 6 sind die strömungsleitenden Bauteile in Form der gewindeartigen Eintrittspartie 7 der Dichtung verwirklicht Das Gewinde erstreckt sich gleichmäßig über den Umfang.

In dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 7 und 8 erfolgt die Beeinflussung der Spaltströmungsumfangskomponente durch Beimischung von Dampf, der auch Sperrdampf sein kann, mit der aus Impulsgründen dafür notwendigen Geschwindigkeit und Gegendrehung. Der Dampf bzw. Sperrdampf wird über entsprechende, gleichmäßig am Umfang verteilte Zuführungen in Form von Kanälen 8 in den Spaltbereich vor oder in den Dichtungen 5 zugeführt

Die der Erhöhung der dynamischen Grenzleistung dienenden Maßnahmen gemäß den Fig. 3 bis 8 kann man auch miteinander kombinieren.

Desgleichen kann man die dargestellten Einrichtungen 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 strömungsleitenden Bauteile bzw. die Zuführungen für den Dampf (bzw. Sperrdampf) den Dichtungen zugeordnet, die dem Schwingungsbauch der Läuferschwingung am nächsten liegen.

Bei anisotroper Lagerung des Läufers braucht der Einsatz der vorbeschriebenen Maßnahmen (strömungsleitende Bauteile u. dgl.) nicht am Umfang gleichmäßig erfolgen, sondern kann im Bereich des größten Schwingungsausschlages konzentriert sein.

Die grundlegende Wirkung aller vorher beschriebenen Maßnahmen liegt darin, 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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum dynamischen Stabilisieren des Läufers einer Gas- oder Dampfturbine mit Dichtspalten zwischen Läufer und Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß die Leckströmung in den Dichtspalten eine Umfangskomponente erhält, die der Drehrichtung des Läufers entgegengesetzt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor und/oder im Spaltbereich der Dichtspalten (5) strömungsleitende Bauteile, insbesondere Umlenkbleche, Rippen (6), Profile (7), Kanäle (8), vorgesehen sind.