DE3413628C2 - Spaltdichtung für eine Dampfturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spaltdichtung für eine Dampfturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 Eine derartige Spaltdichtung ist aus der DE-AS 18 16 066 bekannt.

Grundsätzlich wird dem Rotor der Dampfturbine Energie durch ein Arbeitsmittel zugeführt, bei dem es sich üblicherweise um Dampf handelt. Der Dampf wird in eine insgesamt zylindrische Kammer eingelassen, die durch den inneren Mantel des Turbinengehäuses begrenzt ist. Mehrere Laufschaufeln sind auf einer Welle in Umfangsrichtung ausgerichtet und in einer axialen Position auf der Welle befestigt. Die Welle ist innerhalb der Kammer ko­ axial und drehbar gelagert. Große Dampfturbinen weisen üblicherweise mehrere Laufschaufelsätze oder -räder auf, die auf der Welle mit axialem Abstand voneinander be­ festigt sind. Jeder Satz oder jede Stufe der Dampftur­ bine entnimmt einen Teil der Dampfenergie durch Umwan­ deln dieser Energie in mechanische Energie, was sich durch die Drehung der Laufschaufeln und der Welle aus­ drückt. Der Dampf wird in die Kammer an einer gewünsch­ ten axialen Stelle eingelassen und strömt in wenigstens einer axialen Richtung durch einen Arbeitskanal. Der Arbeitskanal wird insgesamt durch die axial versetzten Stufen der Turbine sowie durch den sich in Umfangs­ richtung erstreckenden Arbeitsbereich, den die Turbi­ nenlaufschaufeln in jeder Stufe umschließen, begrenzt.

Wenn der Dampf auf diesen axialen Arbeitskanal begrenzt wird, arbeitet die Turbine mit besserem Wirkungsgrad als in dem Fall, in welchem der Dampf nicht auf diesen Arbeitskanal begrenzt wird. Eine Kappe oder ein Deck­ stück verbindet die äußeren Spitzenteile von zwei Lauf­ schaufeln miteinander. Eine Anzahl Kappen, die der An­ zahl der Laufschaufeln in der Turbinenstufe entspre­ chen, bilden ein Umfangsband um die Spitzen der Laufschaufeln. Dieses aus den Kappen gebildete Umfangsband hindert Dampf am Entweichen aus dem axialen Arbeitskanal, indem eine Dampfströmung an den Laufschaufelspitzen vorbei eingeschränkt wird. Der Rotor muß sich innerhalb des Turbinenmantels relativ frei drehen können, weshalb ein radialer Spalt zwischen den Spitzen der Laufschaufeln oder der äußeren Oberfläche der Kappen und der inneren Ober­ fläche des Mantels vorhanden ist.

Der Dampf strömt, wie oben erwähnt, in wenigstens ei­ ner axialen Richtung durch mehrere Laufschaufelstufen. Die Laufschaufeln haben ab einem Punkt nahe dem Dampf­ einlaß bis zu den letzten Stufen des Turbinenrotors, die sich in der Nähe der Auslaßleitung oder -haube der Turbine befinden, zunehmend größere Radien. In diesen letzten Stufen ist der Druckabfall an den Laufschau­ feln am größten.

In den letzten Stufen einer Niederdruckdampfturbine ist der Dampf gesättigt, weshalb sich in diesem Ab­ schnitt der Turbine Wassertröpfchen bilden können. Im allgemeinen werden die Wassertröpfchen durch Zentri­ fugalkraft und oder den Druck der Dampfströmung gegen die innere Oberfläche des die Turbinenstufe umgebenden Mantels gedrückt. Die Wassertröpfchen haben zwar im allgemeinen eine niedrige Absolutgeschwindigkeit, die Relativgeschwindigkeit in bezug auf die radial äußeren Spitzenteile der Laufschaufeln ist jedoch groß. Die Re­ lativgeschwindigkeit der Wassertröpfchen nahe den Lauf­ schaufelspitzen beträgt in einer Niederdruckturbine, die in der letzten Stufe eine aktive Laufschaufellänge von etwa 850 mm hat, ungefähr 610 m/s. Die Kraft, mit der ein Wassertröpfchen auf eine Laufschaufel auftrifft, steht in Beziehung zu der Größe oder Masse des jeweiligen Tröpfchens und zu der Relativgeschwindigkeit des Tröpf­ chens in bezug auf die Laufschaufel. Da die Drehzahl der Turbine im wesentlichen durch andere Parameter fest­ gelegt wird, können die potentiellen Probleme, die durch Wassertröpfchen verursacht werden, wie beispiels­ weise Erosion, niedrigeres Drehmoment und Wirkungsgrad­ verlust, minimiert werden, indem ein Tur­ binenrotor geschaffen wird, der die Menge und die Größe von Wassertröpfchen in dem axialen Arbeitskanal der Turbine wirksam begrenzt. Darüber hinaus ist festge­ stellt worden, daß der Dampf, der in den allerletzten Stufen der Turbine kondensiert, einen Wasserfilm bil­ det, der axial längs der inneren Oberfläche des Man­ tels fließt.

Der Druckabfall in den letzten Stufen der Turbine ist, wie oben erwähnt, im Vergleich zu den stromauf­ wärtigen anderen Stufen am größten. Außerdem ist die Druckdifferenz nahe dem radial äußeren Teil der Laufschaufeln im Vergleich zu dem Schaufelfluß oder dem radial inneren Teil der Laufschaufeln größer. Je größer der radiale Spalt zwischen den Laufscaufelspitzenkappen und der inneren Oberfläche des Mantels ist, desto größer ist deshalb der Verlut an Dampf, der axial um die äußeren radialen Spitzen der Laufschaufeln strömt, und desto niedriger ist daher der Wirkungsgrad der jeweiligen Turbinenstufe.

Zum Minimieren des Verlustes an Dampfströmung um die Spitzenteile der Laufschaufeln sind bereits Dichtstrei­ fen auf der inneren Oberfläche des Turbinenmantels ra­ dial gegenüber den Spitzenteilen und Kappen bei bekannten Dampfturbinen vorgesehen worden (siehe auch DE-19 33 132 U). Die Dichtstreifen bilden einen Ring um die Turbinenstufe und erstrecken sich radial nach innen zu den Laufschaufelspitzen, um den radialen Spalt dazwischen zu verengen. Die Querschnittsgeometrie der Dichtstreifen, die Anzahl der pro Stufe benutzten Streifen und die axiale Lage der Streifen auf der inneren Oberfläche des Mantels basie­ ren auf einer Untersuchung der Strömungstechnik in ei­ ner Dampfturbine. Der (die) Dichtstreifen sollte(n) axial so angeordnet sein, daß der (die) Streifen sich un­ gefähr gegenüber der Beharrungszustandsmittellinie der rotierenden Laufschaufeln befindet (befinden).

Die Beharrungszustandsmittellinie ist die Mittellinie der Laufschaufeln, wenn die Turbine im normalen Be­ trieb ist und mit Nenndrehzahl läuft. Da sich jedoch die Rotorwelle auf der die Laufschaufeln befestigt sind, wegen ihrer thermischen Reaktion auf den Dampf ausdehnt, läßt sich die optimale axiale Lage des (der) Dichtstreifen, d. h. die Beharrungszustandsmittellinie, nicht leicht ermitteln. Außerdem ändert sich die axiale Position der rotierenden Laufschaufeln im Be­ trieb der Turbine, insbesondere wenn bei der Turbine vorübergehende Änderungen der an sie angeschlossenen mechanischen Belastung oder Änderungen in der Dampf­ zufuhr auftraten. Diese Bewegung stellt hinsichtlich der Lage der Streifen, die sich radial gegenüber den Spitzen der rotierenden Laufschaufeln befinden soll­ ten, ein Problem dar.

Da die Dichtstreifen radial nach innen vorstehen′ wird der axial strömende Wasserfilm, der längs der Ober­ fläche des inneren Mantels strömt, zu den rotieren­ den Spitzenteilen der Laufschaufeln und der mit die­ sen verbundenen Kappen hin abgelenkt. Der Wasserfilm verläßt die innere Oberfläche des Mantels in Form von Wassertröpfchen. Diese Wassertröpfchen sind in Kom­ bination mit der Geschwindigkeit der Laufschaufel­ spitzen für die Dampfturbine nachteilig, wie oben dargelegt. Zum Begrenzen des Eintritts von Wassertröpfchen in den Arbeitskanal der Turbine ist bei bekannten Dampfturbinen ein Drainageschlitz unmittelbar stromaufwärts der Dichtstreifen angeordnet. Der Drainageschlitz gestattet einem Teil der Dampfströmung, der für das Besei­ tigen des Wasserfilms erforderlich ist, zu entweichen. Obgleich also die Dampfströmung um die äußeren Spitzen­ teile der Laufschaufeln durch die Dichtstreifen mini­ miert wird, geht ein Teil der Dampfströmung über den radialen Drainageschlitz verloren.

Bei einer bekannten Vorrichtung, die in der US-PS 3 575 523 beschrieben ist, wird ein Flügelprofilteil, das sich von der Kappenoberfläche aus radial erstreckt, zusammen mit zwei sich nach innen erstreckenden Flanschen benutzt, von denen der eine Flansch unmittelbar stromaufwärts der Turbinenstufe und der andere unmittelbar stromabwärts derselben angeordnet ist. Das Flügelprofilteil ist eine schräge Rippe, die sich oberhalb der äußeren Oberflächen der Kappe radial erstreckt. Das Flügelprofilteil bewirkt zusammen mit den Flanschen, daß die Dampfströmung, die zwischen ihnen aufgefangen wird, zurück in den Arbeitskanal der Turbine gepumpt wird. Ein radialer Drainage­ schlitz unmittelbar stromaufwärts des ersten Flansches ist erforderlich, wenn das axial längs der inneren Oberfläche des Mantels strömende Wasser daran gehindert werden soll, in den Arbeitskanal einzutreten. Es wird deshalb etwas Dampfströmung geopfert. Trotz des Vorhan­ denseins der Flansche werden durch die Pumpwirkung, die durch die schrägen Flügelprofilteile erzeugt wird, die gleichmäßigen Stromlinien der Hauptströmung des Dampfes durch den axialen Arbeitskanal gestört, wodurch der Wirkungsgrad der Turbinenstufe verringert wird. Die­ ser Wirkungsgradverlust ist ein Ergebnis der umgekehr­ ten Dampfströmung, die durch die Pumpwirkung des Flü­ gelprofilteils verursacht wird. Außerdem kann die Pump­ wirkung die gleichmäßige Wasserströmung an der inneren Oberfläche beeinflussen, so daß das Wasser die Ober­ fläche verlassen und auf die Turbinenlaufschaufeln auf­ treffen kann.

Bei anderen bekannten Vorrichtungen werden übliche La­ byrinthdichtungen in dem radialen Spalt benutzt (DE-19 33 132 U). Bei diesen Vorrichtungen haben die Kappen eine oder mehrere radiale Rippen, die mit nach innen vor­ stehenden Flanschen an der inneren Oberfläche des Man­ tels zusammenwirken und eine Labyrinthdichtung für die Turbinenstufe ergeben. Die nach innen vorstehenden Flansche erfordern, wie weiter oben dargelegt, einen radialen Feuchtigkeitsentziehungsschlitz unmittelbar stromaufwärts der Flansche.

Es ist Aufgabe der Erfindung, für eine Dampfturbine eine einfach aufgebaute Spaltdichtung zu schaffen, durch die der Wirkungsgrad erhöht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteranspruch beansprucht.

Mit der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, daß der Drainageschlitz beseitigt und deshalb die Dampfströmung in den zugeordneten Stufen der Turbine nicht verringert wird, wodurch diese Stufen mit besserem Wirkungsgrad ar­ beiten können.

Weiter wird in vorteilhafter Weise eine Rippenkappe oder ein Rippendeckstück mit einer einzigen Rippe vorgesehen, die sich von den Spitzenteilen der Laufschaufeln aus radial nach außen erstreckt und dadurch den Dichtstreifen und den Drainageschlitz eliminiert und eine potentielle axiale Fehlausrich­ tung, die zwischen den Dichtstreifen und den Spitzen oder Kappen der Laufschaufeln auftreten könnte, mini­ miert. Dabei sind die radial äußeren Ränder der Rippen in unmittelbarer Nähe der inneren Oberfläche des Mantels, der den Rotor umgibt, und bilden die einzige Behinderung für die Dampfströmung durch den radialen Spalt zwischen der äußeren Oberfläche der Kappe und der inneren Oberfläche des Mantels. Die Rip­ pen bilden einen im wesentlichen durchgehenden, sich radial erstreckenden Ring, der eine Dichtung zwischen den Sätzen der Laufschaufeln bildet.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen weggeschnittenen Teil einer radialen Seitenansicht einer be­ kannten Vorrichtung, die einen Auffangstreifen und einen radialen Drainageschlitz aufweist,

Fig. 2 einen weggeschnittenen Teil einer Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Rippenkappe aufweist,

Fig. 3 eine Teilaxialansicht einer Turbi­ nenstufe, die eine Anzahl von Lauf­ schaufeln mit zugeordneten Kappen aufweist,

Fig. 4 eine radiale Draufsicht auf einen Teilabschnitt der Laufschaufeln, Kappen und Rippen,

Fig. 5 eine radiale Querschnittansicht von drei Rippen und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei der sich die Rippen nicht über die äußeren radialen Spitzenteile der Laufschaufeln erstrecken.

Fig. 1 zeigt insgesamt eine bekannte Vorrichtung. Die Dampfströmung ist in den Fig. 1 und 2 durch einen Pfeil angegeben. Die US-PS 4 335 600 zeigt eine geschnit­ tene Ansicht einer Dampfturbine der hier in Fig. 1 dar­ gestellten Art, und bezüglich näherer Einzelheiten wird auf diese US-Patentschrift verwiesen. In den Fig. 1 und 2 ist zwar nur eine weggeschnittene radiale Sei­ tenansicht dargestellt, es versteht sich jedoch, daß die Turbine einen beschaufelten Rotor aufweist, von wel­ chem hier nur der radial äußere Teil dargestellt ist. Ein besseres Verständnis der Turbinenstufe ergibt sich durch eine Betrachtung von Fig. 3, die einen Rotor 11 mit an einer Rotorwelle 15 befestigten Laufschaufeln 13 zeigt. Fig. 3 ist eine Teilaxialansicht eines Segments der Turbinenstufe, die sich über 360° um die Rotorwelle 15 erstreckt. Die letztgenannte Ansicht stellt die Vor­ deransicht der Turbinenstufe dar, weshalb sich hier alle Zeichnungen auf diese Perspektive beziehen. Die herkömmliche Turbine weist eine Anzahl von Stufen auf; obgleich hier nur eine Stufe dargestellt ist, gilt die Lehre der Erfindung für die meisten Stufen der Turbine.

Gemäß Fig. 1 ist die Stufe, die eine Laufschaufel 12 aufweist, von einem koaxialen Mantel 14 umgeben. Ein Leitapparat 10 ist stromaufwärts der Schaufel 12 ange­ ordnet und Teil der Turbinenstufe. Der Leitapparat 10 leitet die Dampfströmung auf jede Laufschaufel 12. Der Mantel 14 hat eine radial innere Oberfläche 16 und ei­ nen radialen Drainage- bzw. Feuchtigkeitsentziehungsschlitz 18. Der Schlitz beseitigt den Wasserfilm, der axial an der Oberfläche 16 strömt, bevor das Wasser durch einen Dichtstreifen 20 zu der rotierenden Laufschaufel 12 hin abgelenkt wird. Der Dichtstreifen 20 begrenzt, wie weiter oben erwähnt, die Dampfströmung axial um die radial ausgedehnten Spitzenteile der Laufschaufel 12 durch den radialen Spalt 22, würde aber Wasser­ tröpfchen auf die eine hohe Geschwindigkeit aufweisen­ den Spitzenteile der Laufschaufel 12 ablenken, wenn der Schlitz 18 nicht unmittelbar stromaufwärts des Streifens vorhanden wäre. Der Spalt 22 ist der radia­ le Abstand zwischen dem Dichtstreifen 20 und den Spitzenteilen der Laufschaufeln 12. Der Spalt 22 um­ gibt den beschaufelten Rotor in Umfangsrichtung und koaxial. Der Dichtstreifen 20 unterstützt zwar die Verringerung der Dampfströmung durch den Spalt 22, etwas Dampf­ strömung entweicht jedoch mit dem Kondensat des Dam­ pfes durch den Drainageschlitz 18. Der Schlitz 18 ist notwendig, weil er den Wasserfilm beseitigt, be­ vor die Strömung in den axialen Arbeitskanal der Tur­ bine abgelenkt wird, und begrenzt infolgedessen die Erosion der Laufschaufeln in dieser Stufe und gestat­ tet dem Rotor und den Laufschaufeln, sich so frei wie möglich zu drehen.

Fig. 2 ist im wesentlichen dieselbe Ansicht, d. h. die weggeschnittene Seitenansicht einer Turbinenstu­ fe gemäß der Darstellung in Fig. 1. Fig. 2 zeigt je­ doch ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Ein Leitap­ parat 30 stromaufwärts einer Laufschaufel 32 leitet den Dampf auf die Laufschaufeln der Stufe, von der die Laufschaufel 32 ein Teil ist. Ein Mantel 34 umgibt ko­ axial den beschaufelten Rotor und hat eine innere Ober­ fläche 35. Zum Begrenzen der Dampfströmung um die ra­ dialen Spitzenteile der Laufschaufel 32 erstreckt sich nur eine Rippe 36 von der radial äu­ ßeren Oberfläche einer Kappe radial nach außen (die Kappe ist in der Ansicht in Fig. 2 nicht sichtbar). Die radiale Ausdehnung der Rippe ist in Fig. 3 zu er­ kennen, gemäß der sich eine Rippe 17 über den radial ausgedehnten Teil 19 der Laufschaufel 13 hinaus er­ streckt. Gemäß Fig. 2 befindet sich der radiale Rand der Rippe 36 in unmittelbarer Nähe der Oberfläche 35. Ein radialer Spalt 38 hat im wesentli­ chen dieselben Abmessungen wie der in Fig. 1 darge­ stellte Spalt 22. Die Abmessung des radialen Spalts 38 liegt beispielshalber bei der letzten Stufe einer Nie­ derdruckturbine, die eine aktive Laufschaufellänge von 850 mm hat, in der Größenordnung von 7,6 mm.

Während des Betriebes der letzten Stufe einer Nieder­ druckturbine wird der Wasserfilm, der axial über die Oberfläche 35 in Fig. 2 strömt, praktisch nicht behin­ dert, weil der Dichtstreifen eliminiert ist und die einzige Behinderung der Dampfströmung durch den Spalt die Rippen darstellen, die sich radial über die äu­ ßere Oberfläche der Kappe hinaus erstrecken. Der Spalt 38 ist groß genug, um den normalen Strom von Wasser an der Oberfläche 35 während des normalen Betriebes der Turbinenstufe durchzulassen. Schließlich wird bei beiden Vorrichtungen, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, das Kondensat des Dampfes durch eine dafür vorgesehene Einrichtung in den Innenraum der Auslaßhaube der Turbine geleitet, die in den Figuren nicht dargestellt ist, sich aber stromabwärts der letzten Turbinenstufe befindet, d. h. in den Fig. 1 und 2 rechts.

Fig. 4 zeigt eine radiale Draufsicht auf zwei Lauf­ schaufeln 40, 42, die an ihren äußeren radialen Spit­ zen durch eine Kappe 44 miteinander verbunden sind. Eine ausführliche Beschreibung der Kappe 44, ihrer Be­ ziehung zu den Spitzen der Laufschaufeln und der Be­ triebseigenschaften dieser Kappe in bezug auf die Tur­ bine als ganzem findet sich in der US-PS 3 302 925, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird.

Die Kappe 44 hat eine Rippe 46, die von ihrer radial äußeren Oberfläche 45 aus vorsteht. Die Rippe gleicht den Rippen 36 und 17, die in den Fig. 2 bzw. 3 ge­ zeigt sind. Die Rippe 46 erstreckt sich von der Um­ fangsoberfläche radial nach außen, die durch die Kap­ pen gebildet wird, welche eine entsprechende Anzahl von Laufschaufelspitzen in einer Stufe einer Turbine miteinander verbinden. Gemäß Fig. 4 ist die Rippe 46 tangential auf eine Rippe 48 auf einer benachbarten Kappe 50 ausgerichtet. Ebenso ist die Rippe 46 tangen­ tial auf eine Rippe 52 ausgerichtet, die Teil einer benachbarten Kappe 54 ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung be­ findet sich das vordere Ende 60 der Rippe 46 in unmit­ telbarer Nähe des hinteren Endes 62 der Rippe 48. Die Bezeichnungen vorn und hinten beziehen sich auf die Drehrichtung, die in Fig. 4 durch einen Pfeil angege­ ben ist. Auf gleiche Weise ist das hintere Ende der Rippe 46 in unmittelbarer Nähe des vorderen Endes der Rippe 52.

Die Rippe 46 bildet gemeinsam mit den Rippen 52, 48 und den übrigen Rippen, deren Anzahl der Anzahl der Kappen entspricht, einen im wesentlichen durchgehen­ den, sich radial erstreckenden Ring, der eine Dichtung zwischen den Stufen der Turbine bildet. Diese Dichtung hat den Vorteil, daß der Wasserfilm auf der inneren Oberfläche des Mantels während seiner Strömung zu der Auslaßhaube im wesentlichen ungestört bleibt. Die Rip­ pen bilden gemäß der Darstellung in Fig. 3 einen sich im wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckenden Ring 21 um die Turbinenstufe, und ebenso bilden die radial äußeren Oberflächen der Kappen ein Umfangsband oder eine Umfangsoberfläche um die Stufe. Wenn eine Rippen­ kappe auf den letzten Stufen einer Niederdruckturbine benutzt wird, ist es nicht notwendig, den Kondensat­ film zu beseitigen, der sich ansammelt und axial an der inneren Oberfläche des Turbinenmantels strömt, da die Rippe die einzige Behinderung für die Dampfströ­ mung durch den radialen Spalt ist. Der Drainage­ schlitz ist daher unnötig und kann deshalb eliminiert werden. Da die Abmessungen des radialen Spalts 38 gemäß Fig. 2 den Abmessungen des radialen Spalts 22 der bekannten Vorrichtungen gemäß Fig. 1 gleichen, ergibt sich eine Verbesserung des Wirkungs­ grades der Turbinenstufe durch die geschätzte Einspa­ rung von 0,6% der Gesamtdampfströmung durch die Stufe. Diese 0,6% stellen den geschätzten Verlust an Dampf­ strömung dar, die durch den radialen Drainage­ schlitz 18 hindurchgeht, der in Fig. 1 darge­ stellt ist. Durch die Einsparung von 0,6% der Dampf­ strömung ergibt sich eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbinenstufe und der Turbine insgesamt.

In ihrer bevorzugten Ausführungsform ist die Rippe 46 ein integraler Teil der Kappe 44. Da sich die Lauf­ schaufeln in dieser Turbinenstufe aufgrund von Wär­ meausdehnung radial ausdehnen können oder aufgrund von mechanischen Reaktionen, die im Betrieb der Turbi­ ne manchmal auftreten, radial bewegen können, kann die Rippe aus einem relativ abschleifbaren Material hergestellt werden, das sich "abreibt", wenn der be­ schaufelte Rotor bei der Drehung geringfügig von der normalen Achse abweichen und an dem Mantel "reiben" sollte. In dieser Hinsicht könnten die Rippen im Vergleich zu dem Material des Mantels aus einem ab­ schleifbaren Material bestehen. Die Mittellinie der Turbinenstufe bewegt sich, wie weiter oben erwähnt, während des Betriebes aufgrund der Wärmeausdehnung des Rotors. Die hier beschriebene Vorrichtung, die Kappen mit einer einzelnen Rippe aufweist, wird durch die Axialbewegung der Mittellinie der Stufe nicht be­ einflußt. Außerdem bilden die Rippen eine Dichtung für jede Turbinenstufe, in der Wasser an der inneren Oberfläche des diese Turbinenstufe umgebenden Mantels fließt.

Fig. 5 zeigt mehrere Querschnittansichten einer Rippe nach der Erfindung.

Die geometrische Form der Rippe ist ein wichtiger Ge­ sichtspunkt, weil die Dampfmenge, die durch den radia­ len Spalt strömt, in Beziehung zu dieser Rippenform steht. Der radial äußere Rand der Rippe ist im Vergleich zu der Basis der Rippe in der Nähe der Kappe vorzugsweise relativ schmal. Weitere Merkmale beziehen sich auf die Höhe der Rippe gegenüber der Breite ihrer Basis, die Höhe gegenüber der radialen Spaltbreite im stationären Zustand und die Breite des radial ausge­ dehnten Randes der Rippe gegenüber der radialen Spalt­ breite im stationären Zustand. Verhältnisse von 2,0, 1,7 bzw. 0,10 sind für die optimale Leistung einer Rip­ pe als Dichtvorrichtung in einer Turbine mit einer ak­ tiven Laufschaufellänge von 850 mm theoretisch vorgeschlagen worden. Wenn die Turbinen­ stufe in Betrieb ist, bewirken diese geometrischen Merkmale einer einzelnen Rippe, daß die Dampfströmung durch den radialen Spalt in einen radialen Zwischen­ raum gedrückt wird, der kleiner als physikalisch vorhan­ den ist. Diese Erscheinung ist Teil der Theorie, nach welcher der engste Strahlquerschnitt hinter einer Blen­ de auftritt, was auf dem Gebiet der Strömungstechnik relativ bekannt ist. Die einzelne Rippe verringert die Dampfströmung durch den radialen Spalt. Die Quer­ schnittsformen einer Rippe, die optimal arbeitet, ba­ sieren auf der Untersuchung der Fluidströmung durch ei­ ne Drosselbohrung und anderer Dichtvorrichtungen gemäß den Lehren der Strömungstechnik, weshalb die oben ange­ gebenen Ergebnisse nur einen Bereich von Werten ange­ ben. Genauer gesagt, die Höhe über der Basisbreite kann sich mit anderen baulichen Parametern der Laufschaufeln selbst verändern, es hat sich aber gezeigt, daß ein Verhältnis zwischen 1,7 und 2,0 adäquat ist. Die Höhe über der Spaltbreite kann größer oder gleich 1,7 sein, wobei 2,0 ein nominelles Ziel darstellt, und die Rand­ breite über der Spaltbreite kann kleiner oder gleich 0,1 sein. Eine einzige Rippe, die sich oberhalb jeder Kappe erstreckt, ist wichtig, weil eine größere Anzahl von Rippen nicht so viel Dampfströmung durch den radial­ en Spalt wie nur eine Rippe pro Kappe hindurch läßt. Außerdem ist eine einzige Rippe, die sich nicht radial über die äußeren radialen Spitzenteile der Laufschau­ feln hinaus erstreckt, nicht in der Lage, die Dampf­ strömung auf hier beschriebene Weise zu bewahren.

Drei radiale Querschnittansichten von Rippen, die bei der Erfindung benutzt werden können, sind in Fig. 5 gezeigt. Die dargestellten Rippen sind nicht die einzi­ gen Rippen, die gemäß der oben beschriebenen Lehre der Erfindung hergestellt werden können, sondern lediglich Beispiele zur Veranschaulichung des Rippentyps, der in der hier beschriebenen Umgebung einen guten Wirkungs­ grad hat. Rippen 65a, 65b und 65c erstrecken sich ober­ halb der äußeren radialen Kappenoberflächen 64a, 64b bzw. 64c, wie es in den Fig. 5a, 5b bzw. 5c gezeigt ist. Die Dampfströmung ist durch den Pfeil in Fig. 5 darge­ stellt und veranschaulicht die Strömungsrichtung in den Fig. 5a, 5b und 5c. In Fig. 5a hat die Rippe 65a einen trapezförmigen Querschnitt, wobei eine stromab­ wärtige Stirnfläche um ungefähr 40° gegen eine horizon­ tale Bezugsebene abgewinkelt ist. Es hat sich gezeigt, daß Neigungswinkel über 40° in diesem Beispiel günstig sind. Fig. 5b zeigt die Rippe 65b, die eine relativ breite Querschnittsbasis an der Oberfläche 64b aufweist und von dieser relativ breiten Basis aus zu ihrem ra­ dial ausgedehnten Rand hin zunehmend schmaler wird. Die oberen Ränder der Rippen 65a, 65b und 65c sind ab­ gestumpft. Die Rippe 65c, die in Fig. 5c gezeigt ist, hat eine relativ gerade Wandoberfläche normal zu der Richtung der Dampfströmung, einen abgestumpften radial ausgedehnten Rand und eine relativ breite Basis an der Oberfläche 64c, weshalb ihre Querschnittansicht von ihrer Basis zu ihrem radial ausgedehnten Rand relativ zunehmend schmäler wird. Diese drei Querschnittsformen einer Rippe sind nicht die einzigen, die in den Ausführungsbeispielen der Erfin­ dung verwendbar sind. Der Fachmann könnte viele unter­ schiedliche Formen und Konfigurationen einer Rippe festlegen, die sich von der äußeren Oberfläche einer Kappe aus radial erstreckt und auf oben beschriebene Weise arbeitet.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfin­ dung. Eine Kappe 70 verbindet die Spitze einer Lauf­ schaufel 72 mit der Spitze einer Laufschaufel 74. Eine Kappe 76 und eine Kappe 77 verbinden benachbarte Lauf­ schaufeln mit den Laufschaufeln 74 bzw. 72. Eine sich radial erstreckende Rippe 78 steht über die äußere Oberfläche der Kappe 70 vor und ist tangential auf die Rippe 80. ausgerichtet, die an der Kappe 76 ange­ formt ist, und auf die Rippe 81, die an der Kappe 77 angeformt ist. Gemäß Fig. 6 befindet sich das hintere Ende der Rippe 80 nicht in der Nähe des vorderen Endes der Rippe 78, d. h. das hintere Ende der Rippe endet in der Nähe des äußeren Spitzenteils der Laufschaufel. Ein Zwischenraum 82 trennt das hintere Ende der Rip­ pe 80 von dem vorderen Ende der Rippe 78. Die Rippe 78 steht also nicht über den Spitzenteil der Lauf­ schaufel 74 vor, sondern endet in der Nähe derselben, und die Rippe 80 endet ebenso in der Nähe des Spit­ zenteils der benachbarten Laufschaufel 74. Ein glei­ cher Zwischenraum kann zwischen entsprechenden Rip­ pen an benachbarten Kappen vorhanden sein, wie darge­ stellt. Die Dampfströmung um den radial äußeren Spitzenteil der Laufschaufeln und durch den Zwischen­ raum ist in dieser weiteren Ausführungsform relativ gering, weil der Zwischenraum 82 und gleiche Zwischen­ räume längs des äußeren Umfangs der Stufe einen rela­ tiv kleinen Teil des im wesentlichen durchgehenden, sich radial erstreckenden Ringes ausmachen, der durch die Rippen gebildet ist, die den Kappen in der Turbi­ nenstufe zugeordnet sind. Die Dampfströmung durch den Zwischenraum 82 wird wesentlich begrenzt, wenn der Rotor in Betrieb ist.

Es können Kappen benutzt werden, die mit den Laufschaufeln durch sich seitlich erstreckende Zapfen verbunden sind, welche mit seitlichen Löchern in den äußeren Spitzen der Laufschaufeln zusammen­ passen, d. h. den spezifischen Kappen, die hier darge­ stellt sind. Diese Kappen werden typisch als Seiteneintrittskappen bezeichnet und sind ausführlich in der US-PS 3 302 925 beschrieben, auf die oben Bezug genommen worden ist. Bei weiteren Ar­ ten von Kappen kann ebenfalls eine Rippe der hier beschriebenen Art benutzt werden. Es kann auch eine begrenzte Anzahl von Laufschaufeln in einer Gruppe in einer Turbinenstufe verbunden werden, wobei jedoch nicht sämt­ liche gruppenweise zusammengefaßten Laufschaufeln miteinander verbunden werden. Obgleich es Durchbrüche oder Spalte in dem relativ durchgehenden, sich radial erstreckenden Ring gibt, der durch die Rippen ge­ bildet ist, drehen sich die Durchbrüche mit solcher Geschwindigkeit, daß die axiale Dampfströmung durch die Durchbrüche relativ minimal ist. Es ist auch möglich, daß die Rippen und Kappen nur den Laufschaufeln zugeordnet werden. Auf diese Weise bilden die Kappen und Rippen einen integralen Teil der Laufschaufeln.

Die Spaltdichtung gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung kann auch zum Nachrüsten von großen Dampfturbinen benutzt werden, weil die Kappen und Rippen, die hier ausführlich beschrie­ ben sind, den Stufen einer Niederdruckturbine hinzu­ gefügt werden können, in denen der Dampf gesättigt ist und ein Drainageschlitz nicht ohne weiteres in dem bereits vorhandenen Turbinenmantel ausgebildet werden kann.

Claims (2)

1. Spaltdichtung für eine Dampfturbine, die einen von einem Mantel umgebenen Rotor mit Laufschaufeln aufweist, die in Umfangsrichtung ausgerichtet und an dem Rotor befestigt sind und an deren radial äußeren Spitzen jeweils eine gerippte Laufschaufelkappe angeordnet ist, die die radial äußeren Spitzen von zwei in Umfangsrichtung benachbarten Laufschaufeln miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß
der Mantel (34) eine axial durchgehende Innenfläche (35) ohne Drainageschlitze aufweist, an der ein Kondensatfilm ungehindert entlangströmen kann,
an jeder Laufschaufelkappe (44, 50, 54) eine einzige Rippe (17, 36, 46, 48, 52) aus abschleifbarem Material einstückig angeformt ist, die sich von der radial äußeren Oberfläche (45) jeder Laufschaufelkappe radial nach außen und über die radial äußeren Spitzen der Laufschaufeln hinaus erstreckt, wobei sich der radial äußere Rand der einzigen Rippe bis in die unmittelbare Nähe der Innenfläche (35) des Mantels (34) erstreckt und die Rippe die einzige Behinderung für die Dampfströmung durch den radialen Spalt (38) zwischen den äußeren Oberflächen (45) jeder Laufschaufelkappe und der Innenfläche (35) des Mantels (34) ist, und
jede Rippe in Umfangsrichtung zu den benachbarten Rippen ausgerichtet ist und jede Rippe zusammen mit den Rippen an den anderen Laufschaufelkappen einen im wesentlichen durchgehenden, sich radial erstreckenden Dichtungsring (21) bilden.

2. Spaltdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe (65b, 65c) einen breiten Querschnitts-Basisteil an der radial äußeren Oberfläche (64b, 64c) der Laufschaufelkappe hat und in ihrem Querschnitt von dem Basisteil zu dem radial äußeren Rand hin zunehmend schmäler wird.