DE4313805A1 - Dichtungsanordnung für zumindest eine Durchführung einer Welle durch ein Gehäuse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für zumin­ dest eine Durchführung einer um eine Achse drehbaren Wel­ le durch ein feststehendes Gehäuse, welches einen mit einem Fluid beaufschlagbaren Innenraum umschließt, aus dem die Welle austritt, mit einer die Welle umringenden, entlang der Achse beiderseits von Dichtungen benachbarten und durch zumindest eine der Dichtungen hindurch mit dem Fluid beauf­ schlagbaren Wrasenkammer, die mit der Umgebung verbunden ist.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Dichtungsanord­ nungen zur Anwendung an Dampfturbinen, um die Durchführun­ gen der rotierenden Wellen aus den Gehäusen der Dampfturbi­ nen abzudichten. Dabei wird Dampf, der durch eine Dichtung hindurch entlang der Welle aus einem Gehäuse austritt, in einer Wrasenkammer gesammelt und in die Umgebung entlassen. Durch Kondensation verwandelt sich dieser Dampf in Nebel und ist somit an der Dichtungsanordnung als "Wrasenfahne" sichtbar und bietet auf diese Weise eine einfache Funktions­ kontrolle für die Dichtungsanordnung. Eine solche einfache Funktionskontrolle ist besonders interessant und vielfach wünschenswert bei Dampfturbinen für industrielle Zwecke, deren Leistungsabgaben üblicherweise zwischen etwa 1 MW und etwa 50 MW liegen; bei derartigen Dampfturbinen hält sich insbesondere die Beanspruchung der Umgebung durch die Wrasenfahnen in der Regel in annehmbaren Grenzen.

Dichtungsanordnungen für Durchführungen von Wellen durch feststehende Gehäuse sind im Stand der Technik in viel­ fältigen Formen bekannt; insbesondere gibt es eine große Vielzahl von Ausführungsmöglichkeiten für die einzelnen Komponenten, insbesondere die Dichtungen. Dichtungsanord­ nungen zur Anwendung an Dampfturbinen gehen hervor aus der DE 26 43 484 A1 und der DE 33 33 530 A1; aus diesen Schriften gehen auch verschiedene Ausführungsmöglichkeiten für Komponenten und Dichtungsanordnungen hervor. Die EP 0 463 532 A1 betrifft die Entsorgung von Fluid, wel­ ches aus Dichtungsanordnungen austritt, insbesondere eine sogenannte "Wrasendampfkondensatoranordnung". Das Haupt­ augenmerk wird gelegt auf die Ausgestaltung des Wrasen­ dampfkondensators. Dieser ist insbesondere ausgelegt als "druckloser Wärmetauscher", d. h., daß in ihm die Konden­ sation des Wrasendampfes etwa bei normalem Atmosphären­ druck erfolgt.

Dichtungen für Dichtungsanordnungen der beschriebenen Art sind in Funktion und Auslegung beschrieben in dem Buch "Thermische Turbomaschinen" von W. Traupel, Springer-Ver­ lag, Berlin 1977, Band 1, Kapitel 10. In diesem Buch werden insbesondere Dichtungen nach Art der Labyrinth­ dichtungen eingehend beschrieben; andere Dichtungen, namentlich Stopfbuchsendichtungen, insbesondere Stopf­ buchsendichtungen mit Kohleringen, werden nur am Rande erwähnt und als unvorteilhaft für Dampfturbinen in Kraft­ werken bezeichnet. Diese Bemerkung bezieht sich jedoch offensichtlich nicht auf die Verwendung von Stopfbuchsen und/oder Kohleringen in Dichtungen für Dampfturbinen, die für industrielle Zwecke bestimmt sind, da ausweislich der DE 26 43 484 A1 und der DE 33 33 530 A1 Kohleringdichtungen für solche Turbinen sehr wohl üblich sind.

An den Wellendichtungen der eingangs beschriebenen Art tritt stets, wie bereits ausgeführt, eine gewisse Belastung der Umgebung mit Fluid aus der Wrasenkammer auf, welche unter Umständen spezielle Vorkehrungen zur Luftrein­ haltung erfordern kann. Darüber hinaus ist die Zuverlässig­ keit der Funktionskontrolle nur eingeschränkt, da kleinere Veränderungen der Wrasenfahnen nur schwer erkennbar sind; die Funktionskontrolle muß sich daher im wesentlichen be­ schränken auf die Feststellung, ob ein Schaden an der Dich­ tungsanordnung bereits eingetreten ist oder nicht. Eine regelrechte Diagnose der Wellendichtungsanordnung mit dem Ziel, eine quantitative Aussage über die Funktionstüchtig­ keit der Dichtungsanordnung zu erhalten und Schäden bereits im Stadium ihrer Anbahnung zu erkennen, ist nicht möglich.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Dich­ tungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, welche sowohl eine Einschränkung der Belastung der Umgebung als auch eine zuverlässige Diagnose erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Dichtungsanordnung für zumindest eine Durchführung einer um eine Achse drehbaren Welle durch ein feststehendes Gehäuse, welches einen mit einem Fluid beaufschlagbaren Innenraum umschließt, aus dem die Welle austritt, mit einer die Welle umringenden, ent­ lang der Achse beiderseits von Dichtungen benachbarten und durch eine der Dichtungen hindurch mit dem Fluid beauf­ schlagbaren Wrasenkammer, die mit der Umgebung verbunden ist, angegeben, bei der die Wrasenkammer zusätzlich mit einer Saugeinrichtung verbunden ist.

Durch das Vorsehen der Saugeinrichtung ist es möglich, das Fluid aus der Wrasenkammer zumindest teilweise abzusaugen und damit eine Reduzierung der Belastung der Umgebung zu erreichen; darüber hinaus kann durch geeignete Auslegung und Einstellung der Saugeinrichtung erreicht werden, daß von dem insgesamt der Wrasenkammer zugestellten Fluid ein wohl­ definierter, weitgehend konstanter Anteil abgesaugt wird, so daß Schwankungen in der Zustellung des Fluides sich allein auf den in die Umgebung entlassenen Rest des Fluides aus­ wirken. Durch entsprechende Einstellung der Saugeinrichtung kann somit erreicht werden, daß bereits kleine Schwankungen im Zufluß des Fluides in die Wrasenkammer große Schwankungen im Ausfluß des Fluides in die Umgebung bedingen, welche problemlos und mit einfachsten Mitteln, insbesondere durch einfaches Hinsehen, nachweisbar sind. Daher ist eine empfindliche Kontrolle des Zuflusses von Fluid zu der Wrasenkammer und damit eine empfindliche Kontrolle der Dichtwirkung der Dichtungen in der Dichtungsanordnung möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wrasenkammer über ein Wrasenrohr mit der Umgebung verbunden ist und die Saugeinrichtung an das Wrasenrohr angeschlossen ist. Auf diese Weise wird die Rückwirkung der Saugeinrichtung auf die Strömung des Fluides in den Dichtungen und in der Wra­ senkammer geringgehalten, und die Wirkungsweise der Dich­ tungsanordnung verbessert.

Als Saugeinrichtung kommt insbesondere ein Strahler in Be­ tracht, in dem das Fluid, mit dem das Gehäuse beaufschlagt wird, als Treibmittel dient und dem dieses Treibmittel vor­ zugsweise aus dem Innenraum zugeführt wird. Die solcherart ertüchtigte Dichtungsanordnung arbeitet weitestgehend autark neben dem Gehäuse und der in dem Gehäuse untergebrachten Einrichtung, was ihrer Betriebssicherheit wesentlich ent­ gegenkommt.

Zur feinfühligen Einstellung des mit der Saugeinrichtung gebildeten Fließgleichgewichtes ist der Saugeinrichtung bevorzugtermaßen ein Stellventil vorgeschaltet, mit dem ihre Saugwirkung feinfühlig einstellbar ist.

Besonders günstig ist es auch, wenn in der Dichtungsanord­ nung zwischen der Wrasenkammer und dem Innenraum eine die Welle umringende, entlang der Achse beiderseits von Dich­ tungen benachbarte Sperrkammer angeordnet ist, welcher über eine zugehörige Zuleitung Fluid zustellbar ist. Im vorlie­ genden Rahmen kann eine solche Sperrkammer mehrere Funk­ tionen erfüllen: einerseits kann sie dazu dienen, vor der Wrasenkammer unabhängig von den Verhältnissen in dem In­ nenraum definierte thermodynamische Verhältnisse, insbe­ sondere einen definierten Druck, bereitzustellen, um eine weitestgehend betriebsunabhängige Beaufschlagung der zur Wrasenkammer führenden Dichtung sicherzustellen. Anderer­ seits und ggf. zusätzlich kann durch entsprechende Ein­ stellung des Drucks in der Sperrkammer sichergestellt werden, daß ein Eindringen von Luft in den Innenraum ver­ hindert wird, wozu in der Sperrkammer ein entsprechender Überdruck einzustellen wäre. Die zur Sperrkammer gehörige Zuleitung ist vorteilhafterweise an den Innenraum ange­ schlossen, insbesondere an einen Bereich des Innenraums, in dem ein für die Sperrkammer angemessener Druck herrscht. Es sei bemerkt, daß im Innenraum des Gehäuses einer Dampf­ turbine stets ein Druckgefälle herrscht, bedingt durch die Entspannung des Dampfes entlang der Turbine. Entsprechend den jeweiligen Vorgaben ist ein Anschluß der Zuleitung am Einlaß, Auslaß oder an einer Anzapfung der Dampfturbine möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, insbesondere in Verbindung mit einer soeben beschriebenen Sperrkammer, zwischen der Wrasenkammer und dem Innenraum eine die Welle umringende, entlang der Achse beiderseits von Dichtungen benachbarte Leckagekammer vorzusehen, von welcher über eine zugehörige Ableitung Fluid abführbar ist. Diese Ableitung kann insbe­ sondere an einen Leckagekondensator angeschlossen sein, wo das abgeführte Fluid kondensiert wird. Dieser Leckagekon­ densator ist vorzugsweise ausgelegt zur Kondensation des Fluides bei einem Druck, der dem normalen Atmosphärendruck in etwa entspricht. Eine Leckagekammer ist vorteilhaft ein­ setzbar zur Bildung eines definierten Druckgefälles entlang der Dichtungsanordnung, indem in der Leckagekammer ein vor­ gegebener, den Anforderungen entsprechender Druck aufrecht­ erhalten wird. Darüber hinaus kann durch Einstellung des Drucks in der Leckagekammer der Strom des Fluides, der zu der Wrasenkammer gelangt, beeinflußt werden. Dies ist ins­ besondere von Bedeutung, wenn die Dichtungsanordnung aus dem Innenraum des Gehäuses mit einem sehr hohen Druck be­ aufschlagt wird, was beispielsweise im Bereich der Ein­ strömung einer Dampfturbine der Fall ist.

Mit besonderem Vorteil ist die Dichtungsanordnung ausge­ staltet zur gleichzeitigen Abdichtung zweier Durchführun­ gen einer Welle durch ein Gehäuse, wobei jede Durchführung eine mit der Saugeinrichtung verbundene Wrasenkammer auf­ weist. Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln eine be­ sonders gute Dichtwirkung an jeder Durchführung sicherge­ stellt werden. Vorzugsweise befindet sich zwischen jeder Wrasenkammer und der Saugeinrichtung ein jeweiliges Stell­ ventil, da somit für jede Wrasenkammer eine individuelle Einstellung der Saugwirkung möglich ist, wodurch insbeson­ dere Unterschiede in der Beaufschlagung der Durchführungen aus dem Innenraum heraus ausgeglichen werden können. Auch fertigungstechnisch bestimmte funktionelle Differenzen sind ausgleichbar. Größere funktionelle Differenzen werden vor­ zugsweise ausgeglichen mittels entsprechender Sperr- und/ oder Leckagekammern.

Die Anwendung einer Dichtungsanordnung jedweder Ausgestal­ tung erfolgt mit besonderem Vorteil, während das Gehäuse mit dem Fluid beaufschlagt wird und die Welle rotiert so­ wie die Wrasenkammer durch eine der Dichtungen mit dem Fluid beaufschlagt wird, dergestalt, daß das Fluid aus der Wrasenkammer bis auf einen Rest, der in die Umgebung ab­ geführt wird, mittels der Saugeinrichtung abgesaugt wird. Hierbei wird günstigerweise von dem insgesamt in die Wrasenkammer eingeströmten Fluid ein weitgehend vorge­ gebener, konstanter Anteil abgesaugt, und die Schwankun­ gen in dem die Wrasenkammer beaufschlagenden Strom des Fluides teilen sich hauptsächlich dem in die Umgebung ent­ lassenen Rest mit. Dieser Rest, der dementsprechend bei Veränderungen innerhalb der Dichtungsanordnung stark schwanken kann, ist einfachen Inspektionsmaßnahmen zu­ gänglich und bietet somit eine hervorragende Möglichkeit zur Funktionskontrolle. Er ist auch in seiner Menge be­ schränkt, so daß er allenfalls in geringfügigem Maße die Umgebung belastet.

Besonders geeignet ist die Dichtungsanordnung jedweder Aus­ gestaltung zur Anwendung in Fällen, in denen das Fluid ein Dampf, vorzugsweise Wasserdampf, ist. Speziell im Falle, daß das Fluid Wasserdampf ist, macht sich der aus der Dich­ tungsanordnung austretende Rest bemerkbar als Nebelwolke, die als "Wrasenfahne" bezeichnet wird. Diese ist unmittel­ bar der visuellen Überwachung zugänglich; eine Größen­ veränderung der Nebelwolke ist ein unmittelbares Anzeichen für eine, möglicherweise nachteilige, Veränderung innerhalb der Dichtungsanordnung.

Besonders wichtig ist die Anwendung der Dichtungsanordnung jedweder Ausgestaltung an einer Dampfturbine, welche von dem Gehäuse umschlossen wird und die Welle in Rotation ver­ setzt. Speziell an Dampfturbinen für industrielle Zwecke, bei denen die Wellen vielfach sehr hohe Rotationsfrequen­ zen erreichen, ist die-Überwachung der entsprechend hoch beanspruchten Dichtungsanordnungen von großer Bedeutung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist aus der Zeichnung ersichtlich.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine Dampfturbine 16, welche sich im Innenraum 5 eines Gehäuses 4 befindet. Durch eine Zudampfleitung 21 wird der Dampftur­ bine 16 Dampf zugeführt, und der in der Dampfturbine 16 entspannte Dampf wird durch eine Abdampfleitung 22 abge­ führt. Durch die Entspannung des Dampfes setzt die Dampf­ turbine 16 die Welle 3 in Rotation um die Achse 2. An zwei Durchführungen 1 ist die Welle 3 aus dem Gehäuse 4 herausgeführt.

Zur Erläuterung bestimmter Merkmale wird nunmehr auf beide Durchführungen 1 gemeinsam Bezug genommen. In jede Durch­ führung 1 einbezogen ist eine Wrasenkammer 7, welche die Welle 3 umringt und entlang der Achse 2 von jeweils zwei Dichtungen 6 benachbart ist. Dieser Wrasenkammer 7 fließt entlang der Welle 3 Dampf zu und wird jeweils durch ein Wrasenrohr 9 abgeführt. Aus dem Wrasenrohr 9 gelangt der Dampf in die Umgebung, kondensiert und wird als Nebel, als sogenannte "Wrasenfahne", sichtbar. An jedes Wrasenrohr 9 angeschlossen ist eine Saugleitung 17, die zu einer Saugeinrichtung 8, nämlich einem Strahler, führt. Mit die­ sem Strahler wird aus dem Wrasenrohr 9 ein Teil des Dampfes abgesaugt. Neben der Reduzierung der Belastung der Umgebung wird dadurch ein sehr empfindlicher Indikator für den Zustand der Durchführung 1 erhalten, denn Schwan­ kungen im Zufluß des Dampfes zu der Wrasenkammer 7 werden als Größenveränderung der Wrasenfahne unmittelbar sichtbar. Somit können Funktionsstörungen der Dichtungen 6 frühzeitig, womöglich bevor sie sich zu regelrechten Schäden entwickelt haben, erkannt werden. In jede Saugleitung 17 einbezogen ist ein Stellventil 10, um den Anteil des aus dem Wrasenrohr 9 abgesaugten Dampfes feinfühlig regulieren zu können.

Zwischen jeder Wrasenkammer 7 und dem Innenraum 5 ist in die Durchführung 1 eine Leckagekammer 13 integriert, wel­ che gleichfalls die Welle 3 umringt und entlang dieser von Dichtungen 6 benachbart ist. Dampf, der entlang der Welle 3 und durch die Dichtungen 6 hindurch in die Leckage­ kammer 13 gelangt, wird teilweise durch eine zugehörige Ableitung 14 ab- und einem Leckagekondensator 15 zugeführt. Durch Wahl des Dampfdruckes in dem Leckagekondensator 15 kann der Dampfdruck in der Leckagekammer 13 festgelegt werden; hierüber ist insbesondere eine Einstellung des Zu­ flusses zu der Wrasenkammer 7 möglich. Die Notwendigkeit für Sperrkammern 13 und Leckagekondensator 15 ist nicht immer gegeben. Insbesondere dann, wenn die Dampfdrücke im Gehäuse 4 relativ gering sind, kann auf einen Leckagekon­ densator 15 verzichtet werden; ggf. wäre dann Dampf aus einer Leckagekammer 13 durch die Abdampfleitung 22 abzu­ führen.

Die linke Durchführung 1 ist in der Nähe der Zudampflei­ tung 21 an das Gehäuse 4 angeschlossen, so daß diese Durchführung 1 aus dem Innenraum, 5 beaufschlagt wird mit Dampf, der unter sehr hohem Druck steht. Um diesen Druck zumindest teilweise zu kompensieren, ist, ausgehend vom Innenraum 5, hinter einer Dichtung 6 eine die Welle 3 um­ ringende Sperrkammer 11 vorgesehen, die über eine Zuleitung 12 mit der Abdampfleitung 22, und damit mit einem Bereich im Innenraum 5, der unter relativ geringem Druck steht, verbunden ist. Hierdurch wird die Belastung der weiteren Komponenten der linken Durchführung 1, namentlich der Leckagekammer 13 und der Wrasenkammer 7, reduziert und zumindest teilweise angeglichen an die Belastung der Kom­ ponenten der rechten Durchführung 1, die in der Nähe der Abdampfleitung 22 an das Gehäuse 4 angeschlossen ist und dementsprechend wesentlich geringer belastet wird.

Der Strahler 8, der über Saugleitungen 17 Dampf aus den Wrasenrohren 9 absaugt, wird betrieben mit Dampf, der dem Innenraum 5 über einen Teil der Abdampfleitung 22 und der Zuleitung 12 entnommen wird. Über eine Treibmittelleitung 18 und ein Stellventil 19 gelangt der als Treibmittel die­ nende Dampf zum Strahler 8, wo er den aus den Wrasenrohren 9 gesaugten Dampf aufnimmt und von wo er durch eine Ablei­ tung 20 abgeführt wird; diese Ableitung 20 führt im darge­ stellten Fall zum Leckagekondensator 15.

Die beschriebene Dichtungsanordnung jedweder Ausgestaltung ermöglicht eine einfache Funktionskontrolle einer Durchfüh­ rung einer Welle durch ein Gehäuse und gestattet darüber hinaus eine deutliche Verringerung der Belastung der Umge­ bung. Sie ist besonders qualifiziert zur Anwendung an Dampfturbinen, insbesondere an Dampfturbinen für indu­ strielle Zwecke, deren Leistungsabgabe zwischen etwa 1 MW und 40 MW beträgt.

Claims (13)

1. Dichtungsanordnung für zumindest eine Durchführung (1) einer um eine Achse (2) rotierenden Welle (3) durch ein feststehendes Gehäuse (4), welches einen mit einem Fluid beaufschlagbaren Innenraum (5) umschließt, aus dem die Welle (3) austritt, mit einer die Welle (3) umringenden, entlang der Achse (2) beiderseits von Dichtungen (6) be­ nachbarten und durch zumindest eine der Dichtungen (6) hindurch mit dem Fluid beaufschlagbaren Wrasenkammer (7), die mit der Umgebung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wrasenkammer (7) zusätzlich mit einer Saugeinrich­ tung (8) verbunden ist.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Wrasen­ kammer (7) über ein Wrasenrohr (9) mit der Umgebung ver­ bunden ist, und bei der die Saugeinrichtung (8) an das Wrasenrohr (9) angeschlossen ist.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Saugeinrichtung (8) ein Strahler (8) ist, welcher zur Zu­ stellung von als Treibmittel dienendem Fluid mit dem Innen­ raum (5) verbunden ist.

4. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, bei der zwischen der Saugeinrichtung (8) und der Wrasenkammer (7) ein Stellventil (10) eingesetzt ist.

5. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, bei der zwischen der Wrasenkammer (7) und dem Innenraum (5) eine die Welle (3) umringende, entlang der Achse (2) beiderseits von Dichtungen (6) benachbarte Sperrkammer (11) angeordnet ist, welcher über eine zugehö­ rige Zuleitung (12) Fluid zustellbar ist.

6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, bei der die Zulei­ tung (12) an den Innenraum (5) angeschlossen ist.

7. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der zwischen der Wrasenkammer (7) und dem Innen­ raum (5) eine die Welle (3) umringende, entlang der Achse (2) beiderseits von Dichtungen (6) benachbarte Leckagekam­ mer (13) angeordnet ist, von welcher über eine zugehörige Ableitung (14) Fluid abführbar ist.

8. Dichtungsanordnung nach Anspruch 7, bei der die Ablei­ tung (14) an einen Leckagekondensator (15) angeschlossen ist.

9. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, bei der die Welle (3) zwei Durchführungen (1) durch das Gehäuse (4) hat, deren jede eine mit der Saug­ einrichtung (8) verbundene Wrasenkammer (7) aufweist.

10. Dichtungsanordnung nach Anspruch 9, bei der der Saug­ einrichtung (8) vor jeder Wrasenkammer (7) ein Stellven­ til (10) vorgeschaltet ist.

11. Anwendung einer Dichtungsanordnung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, wobei

• a) das Gehäuse (4) mit dem Fluid beaufschlagt wird und die Welle (3) rotiert;
• b) die Wrasenkammer (7) durch eine der Dichtungen (6) mit dem Fluid beaufschlagt wird;
• c) das Fluid aus der Wrasenkammer (7) bis auf einen Rest, der in die Umgebung abgeführt wird, mittels der Saugein­ richtung (8) abgesaugt wird.

12. Anwendung nach Anspruch 11 oder Anwendung nach einer Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Fluid ein Dampf, vorzugsweise Wasserdampf, ist.

13. Anwendung nach Anspruch 12, wobei das Gehäuse (4) eine Dampfturbine (16) umschließt, die die Welle (3) in Rotation versetzt.