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Gegenstand
der Erfindung ist eine Gasturbine mit einem Rotor mit Schaufeln,
die durch ein thermisches Medium gekühlt sind, das in im Wesentlichen
axialer Richtung zu und benachbart des Rands des Rotors zu- und
abgeführt
wird und speziell sind Dichtungsanordnungen Gegenstand der Erfindung, die
thermisches Medium führende
Rohre an Verbindungsstellen zwischen axial gestapelten Scheiben und
Abstandshaltern axial abdichten, um eine Abdichtung zwischen Hohlräumen zu
erbringen, die die Rohre gegen die Scheiben und Abstandshalter isolieren,
wobei die Verbindungen zwischen den Scheiben und den Abstandshaltern
von Hohlräumen
umgeben sind.
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Bei
Gasturbinen besteht der Rotor typischerweise aus axial gestapelten
Scheiben und Abstandshaltern, die miteinander abwechselnd zusammengeschraubt
sind. Die Scheiben halten in Umfangsrichtung voneinander beabstandete
Schaufeln an ihrem Umfang, wobei die Abstandshalter radial gegenüberliegend
zu Düsen
angeordnet sind, wobei die Schaufeln und Düsen einen Teil des Heißgaswegs
bilden und in diesem angeordnet sind, in dem Verbrennungsprodukte
fließen,
wodurch sich der Rotor um seine Achse dreht.
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Bei
fortgeschritteneren Gasturbinendesigns werden die Schaufeln der
ersten Stufe und vorzugsweise der ersten sowie der zweiten Stufe
durch ein Wärmeträgermedium
gekühlt,
das axial durch eine Bohrungsrohranordnung, nach außen gerichtet
in Radiallieferrohre in die hintere Scheibe des Rotors und durch
eine Anzahl von sich in Axialrichtung erstreckenden, in Umfangsrichtung
voneinander beabstandeten Rohren nach vorn fließt, die durch ausgerichtete Öffnungen
der gestapelten Scheiben und Abstandshalter hindurch führen. Das
abgegebene Kühlmedium
wird von der ersten und der zweiten Stufe entlang des Rands des
Rotors durch eine Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Rückkehrrohren zu
der hinteren Scheibe des Rotors geführt, die in Fluidverbindung
mit radialen Rückkehrrohren
zur Rückführung des
Wärmeträgermediums
zu der Bohrungsrohranordnung stehen. Es hat sich herausgestellt,
dass die Randbereiche der Scheiben und Abstandshalter in Folge der
Temperaturveränderungen beim
Aufheizen des Rotoraufbaus beim Turbinenstart näher zusammenrücken. Dies
heißt,
dass die Ränder
des Rotors schneller als die Innenabschnitte des Rotors aufheizen,
wobei die Zugbolzen so angeordnet sind, dass die Ränder der
Scheiben und Abstandshalter sich aufeinander zu bewegen. Dieses Phänomen ist
als „Rotorclap" bekannt. Wenn sich
die Rotoranordnung der Dauerbetriebstemperatur annähert, vermindert
sich der Rotorclap und verschwindet schließlich. Es ist jedoch essentiell,
dass die Dichtwirkung zwischen den Hohlräumen, die die Rohre innerhalb
der Scheiben und Abstandshalteröffnungen umgeben,
und an den Hohlräumen,
die die Dichtungen umgeben, sowohl beim Start als auch beim Stationärbetrieb
aufrecht erhalten wird. In Folge dieser Anforderungen hat sich der
Bedarf für
eine Dichtung ergeben, die ausreichend nachgiebig ist, um signifikante
komprimierende Verlagerungskräfte
zu absorbieren, die durch die thermische Ausdehnung des Rotors beim
Start verursacht werden, wobei sie jedoch ausreichend steif sind,
um den erheblichen in Querrichtung wirkenden Zentrifugalkräften beim
Stationärbetrieb
zu widerstehen. Außerdem
muss die Dichtung in ihre Ursprungsposition zurückkehren, wenn die komprimierenden
verlagernden Kräfte
verschwinden und die Turbine sich dem Stationärbetrieb annähert. Die
Dichtung muss deshalb in Radialrichtung ausrei chend robust sein,
um unter hohen Zentrifugalbelastungen sich selbst zu stützen.
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Die
US-A-4720236 offenbart eine Gasturbine, die ein Federdichtungselement
mit einem I-förmigen
Querschnitt offenbart. Ein Ende des Federdichtungselements steht
in Berührung
mit einem Träger und
das andere Ende ruht an einem Statordüsenträger.
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Die
US-A-5 695 319 offenbart eine Gasturbine, die eine Anzahl von Strömungskanälen mit
Bürstendichtungselementen
aufweist, die in einer Anzahl von ihnen angeordnet sind. Die Bürstendichtungselemente
sind entlang der Oberseite des Dichtungsgehäuses gehalten und die Dichtungselemente
erstrecken sich auf die Kanalbodenfläche hin.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist eine Dichtungsanordnung geschaffen, die
zwischen einander axial gegenüber
liegenden Flächen
der Scheiben und Abstandshalter der Gasturbinenrotoranordnung und
um die ein Wärmeträgermedium
führenden
Rohre herum anzuordnen ist. Die Dichtungsanordnungen erbringen eine
wirkungsvolle Dichtungswirkung zwischen den Hohlräumen in
den Scheiben und den Abstandshalteröffnungen um die Rohre herum,
sowie an den Hohlräumen
außerhalb
der Dichtungen zwischen den in Eingriff befindlichen Flächen der
Scheiben und Abstandshalter, während
sie beim Turbinenstart hohe komprimierende Druckspannungen und bei Stationärbetrieb
hohe Zentrifugalbelastungen aushalten. Die vorliegende Dichtung
zwischen den die Rohre umgebenden Hohlräumen sowie den die Dichtungen
umgebenden Hohlräumen
hindert das in den die Dichtungen umgebenden Hohlräumen vorhandene
Medium, wobei das bevorzugte Medium in der Bohrung Kühlungsluft
ist, vom Eintritt in die oder vom Austritt aus den die Rohre umgebenden
Hohlräumen.
Ein Lufttransfer zwischen den Hohlräumen würde einen Fluss durch die die
Rohre umgebenden Hohlräume
induzieren, was dann den Wärmetransfer von
den Rohren auf die Scheiben und Abstandshalter stark vergrößern würde. Eine
erhöhte
Wärmeübertragung
von den Rohren auf die Scheiben und Abstandshalter trägt zum Rotorausfall
bei. Um das Vorstehende zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung
eine Dichtungsanordnung, die aus einer Trägerbuchse, einem Dichtungselement
und einer Sitzbuchse besteht. Jede Trägerbuchse wird von einem Abstandshalter
getragen, der ihrer Endfläche
benachbart angeordnet ist und bildet einen Träger für die Anlageflächen des
Wärmeträger führenden Rohrs.
Die Trägerbuchse
weist im Bereich der Trennfläche
zwischen den Scheiben und den Abstandshaltern einen radial nach
außen
gerichteten Flansch auf. Die Sitzbuchse erstreckt sich axial in
die Endfläche der
gegenüber
liegenden Scheibe durchsetzende Öffnung
und weist einen Radialflansch auf, der eine ringförmige, in
Axialrichtung schauende Lagerfläche aufweist.
Zwischen der Stützbuchse
und der Sitzbuchse erstreckt sich ein kegelstumpfförmiges Dichtungselement.
Vorzugsweise liegt der größere Durchmesser
des Dichtungselements in einer Ausnehmung der Dichtungsbuchse und
die innere Kante mit dem kleineren Durchmesser stützt sich
an der ringförmigen
Anlagefläche
des tragenden Sitzes. Um den äußeren Rand
des Flansches der Stützbuchse herum
ist ein Befestigungsflansch oder -anschlag ausgebildet, der bei
axialer Bewegung der Scheibe und des Abstandshalters aufeinander
zu eine Abstützung
für das
Dichtungselement bildet, wodurch hohe Druckkräfte aufgenommen werden können. Wenn sich
die Turbine dem Stationärbetrieb
annähert,
vermindert sich der „Rotorclap" und die Dichtung
kehrt in ihren Originalmontagezustand zurück. Unter diesen Bedingungen
ist das Dichtungselement in Radialrichtung steif, um die von der
Rotordrehung verursachte hohe Zentrifugalkraft aufzunehmen.
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Bei
einer bevorzugten, der vorliegenden Erfindung entsprechenden Ausführungsform
ist in einer Gasturbine mit einem aus axial gestapelten Scheiben und
Abstandshaltern bestehenden Rotor mit von der Drehachse des Rotors
beabstandeten Öffnungen, wobei
die fluchtenden Scheiben und Abstandshalter ein sich in Axialrichtung
erstreckendes Rohr aufnehmen, an der Trennfuge zwischen einer der
Scheiben und einem der Abstandshalter um das Rohr herum eine Dichtungsanordnung
vorgesehen, die einen im Wesentlichen ringförmigen Dichtungsträger aufweist, der
von einer ersten Öffnung
in einer der Scheiben und Abstandshalter teilweise aufgenommen ist,
und die einen sich im Wesentlichen radial erstreckenden Flansch
mit einer ringförmigen
Ausnehmung aufweist, die axial mit einer gegenüber liegenden Fläche des
jeweils anderen Abstandshalters bzw. Scheibe ausgerichtet ist, wobei
eine Sitzbuchse teilweise von einer zweiten Öffnung des jeweils anderen
Abstandshalters bzw. Scheibe in axialer Gegenüberlage zu der ersten Öffnung aufgenommen
ist und zwischen dem Dichtungsträger
und der Buchse einen Sitz und eine Dichtung aufweist, wobei zu der
Dichtung ein ringförmiges
kegelstumpfförmiges
Element mit einem radial außen
liegenden Kantenabschnitt der mit dem Dichtungsträger in ihrer
Ausnehmung in Verbindung steht, und einen radial innen liegenden
Kantenabschnitt aufweist, der mit dem Sitz in Eingriff steht, um zwischen
dem Dichtungsträger
und dem Sitz abzudichten.
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Es
wird nun als Beispiel eine Ausführungsform
der Erfindung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Teils einer Gasturbine ist, die einen
Gasturbinenabschnitt und die thermisches Medium führenden
Rohre veranschaulicht, die Kühlmedium
zu den Schaufeln liefern,
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2 eine
perspektivische Teilansicht von Teilen der Turbinenstufen gemäß 1 ist,
wobei Teile im Querschnitt dargestellt sind und die Anordnung der
erfindungsgemäßen Dichtungsanordnungen
veranschaulichen,
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3 eine
vergrößerte Querschnittsansicht eines
Teils eines thermisches Medium führenden Rohrs
ist, wodurch die Dichtungsanordnungen zwischen einander gegenüber liegenden
Flächen
eines Abstandshalters und einer Scheibe veranschaulicht werden,
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4 eine
vergrößerte ausschnittsweise Querschnittsansicht
einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ist,
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5A eine
perspektivische Ansicht einer Trägerbuchse
ist, die einen Teil der Dichtungsanordnung gemäß 4 bildet,
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5B eine
axiale Endansicht der Trägerbuchse
ist,
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5C eine
Querschnittsansicht, geschnitten entlang einer Linie 5C-5C in 5B ist,
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6A eine
axiale Endansicht eines Dichtungselements ist, das mit der hiesigen
Dichtungsanordnung verwendet wird,
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6B eine
Querschnittsansicht desselben im Wesentlichen geschnitten entlang
einer Linie 6B-6B in 6A ist,
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6C eine
Perspektivansicht des Dichtungselements nach 6A ist,
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7A eine
axiale Endansicht einer Sitzbuchse ist, die Teil der in Rede stehenden
Dichtungsanordnung bildet,
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7B eine
Querschnittsansicht desselben, geschnitten entlang einer Linie 7B-7B
in 7A ist und
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7C eine
Perspektivansicht der Sitzbuchse ist.
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In 1 ist
ein Turbinenabschnitt veranschaulicht, der die vorliegende Erfindung
enthält.
Der Turbinenabschnitt 10 enthält ein Turbinengehäuse 12,
das einen Turbinenrotor R umgibt. Der Rotor R enthält im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
vier aufeinander folgende Stufen, die durch Scheiben 14, 16, 18 und 20 repräsentiert
werden, die eine Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Schaufeln
oder Flügel 22, 24, 26 bzw. 28 aufweisen. Die
Scheiben sind abwechselnd zwischen Abstandshaltern 30, 32 und 34 angeordnet.
Die äußeren Ränder der
Abstandshalter 30, 32 und 34 liegen in
radialer Ausrichtung zu einer Anzahl von Leitschaufeln oder Düsen 36, 38 und 40,
wobei der erste Düsensatz 42 vor
den Schaufeln 22 der ersten Stufe liegt. Folglich wird
klar, dass eine vierstufige Turbine veranschaulicht ist, bei der
die erste Stufe die Düsen 42 und
Schaufeln 22, die zweite Stufe die Düsen 36 und Schaufeln 24,
die dritte Stufe die Düsen 38 und Schaufeln 26 und
schließlich
die vierte Stufe die Düsen 40 und
Schaufeln 28 umfasst. Die Scheiben und Abstandshalter sind
aneinander durch eine Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander
beabstandeten Bolzen 44 gesichert, die durch miteinander
ausgerichtete Öffnungen
der Scheiben und Abstandshalter verlaufen. Um den Turbinenabschnitt
herum sind eine Anzahl von Brennkammern angeordnet, von denen bei 45 eine
veranschaulicht ist, um einen heißen Abgasstrom durch den Heißgaspfad
des Turbinenabschnitts zu schicken, in dem Düsen und Schaufeln angeordnet
sind, um den Rotor zu drehen. Der Rotor enthält außerdem eine hintere Scheibe 46,
das mit einer Bohrungsrohranordnung einstückig ausgebildet ist, die im
Ganzen mit 48 bezeichnet ist.
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Wenigstens
eine und vorzugsweise beide Schaufelgruppen 22 und 24 der
ersten beiden Stufen werden zur Kühlung mit einem thermischen
Medium versorgt, wobei das thermische Medium vorzugsweise Kühldampf
ist. Kühldampf
wird durch die Bohrungsrohranordnung 48 zugeleitet und
zurück
geführt.
Mit Bezug auf die 1 und 2 und bei
einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Bohrungsrohranordnung einen ringförmigen Kanal 50, der
mit Kühldampf
aus einem Dampfraum 52 versorgt ist, um in eine Anzahl
sich radial erstreckender Lieferrohre 54 einzutreten, die
in der hinteren Scheibe 46 vorgesehen sind. Die Rohre 54 kommunizieren mit
voneinander in Umfangsrichtung beabstandeten, sich axial erstreckenden
Wärmeträgerlieferrohren, die
mit nicht veranschaulichten Kühlkanälen in den Schaufeln
der ersten und der zweiten Stufe in Verbindung stehen. Abgegebener
oder zurückgeführter Kühldampf
fließt
mit einer erhöhten
Temperatur aus den Schaufeln der ersten und zweiten Stufe durch eine
Anzahl voneinander in Umfangsrichtung beabstandeter, sich axial
erstreckender Rückführrohre 58 für das Wärmeträgermedium.
Die Rückführrohre 58 stehen
an ihren hinteren Enden mit sich radial nach innen erstreckenden
Rückführungsrohren 60 in
Verbindung, die ihrer seits einen Strom in die Zentralbohrung der
Bohrungsrohranordnung 48 leiten, um das Kühlmedium
an eine Versorgungseinrichtung oder an Dampfturbinen zurückzuführen, die
in einem System mit kombiniertem Zyklus Verwendung finden.
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Es
ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung, dass die sich axial
erstreckenden Liefer- und Rückführungsrohre 58 dem
Rand des Rotors benachbart angeordnet sind. Ebenso erstreckt sich
jedes Liefer- und Rückführungsrohr
durch axial ausgerichtete Öffnungen 62 und 64 durch
die axial gestapelten Scheiben bzw. Abstandshalter.
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Es
wird nun auf die 2 und 3 Bezug genommen,
in denen ein Rückführungsrohr 58 veranschaulicht
ist. Die Liefer- und Rückführungsrohre sind
bis auf die beschriebenen Abweichungen gleich und eine Beschreibung
des einen soll als eine Beschreibung des anderen zum Zwecke der
Beschreibung der Dichtungsanordnung derselben dienen. Jedes Rohr
weist eine dünnwandige
Struktur mit einer Anzahl von erhabenen Anlageflächen 70 an axial voneinander
beabstandeten Stellen entlang der Länge des Rohrs auf. Die axialen
Stellen der Anlagefläche 70 stimmen
mit den Orten der Stützbuchsen
der Dichtungsanordnungen überein,
die hier teilweise in sich durch die Scheiben und Abstandshalter
erstreckenden Öffnungen
angeordnet sind. Zwischen den Anlageflächen finden sich dünnwandige
Abschnitte 72 der Rohre. Aus einer Durchsicht der 3 ergibt, dass
die äußeren Außenflächen der
Anlageflächen 70 radial
außerhalb
der Außenfläche der
dünnwandigen
Abschnitte 72 liegen. Zwischen jeder Anlagefläche 70 und
einem benachbarten dünnwandigen
Abschnitt 72 sind Übergangsabschnitte 74 mit
bogenförmig
gekrümmten
Außenflächen vorgesehen.
Es wird angemerkt, dass die Rohre von den zylindrischen Flächen der
durch die Scheiben und Abstandshalter führenden Öffnungen radial nach innen beabstandet
sind, so dass isolierende Hohlräume 76 festgelegt
werden. Es sind im Ganzen mit S bezeichnete Dichtungsanordnungen
an der Trennfuge axial benachbarter Scheiben und Abstandshalter
vorgesehen, um zwischen den Hohlräumen 76 und den entsprechenden
Hohlräumen 78 zwischen
den Scheiben und Abstandshaltern, die die Rohre umgeben, abzudichten.
Wie in 2 veranschaulicht ist, sind für das Rückführungsrohr vier Dichtungsanordnungen
vorgesehen, die an den Fugen zwischen der Scheibe 16 und
dem Abstandshalter 32, dem Abstandshalter 32 und
der Scheibe 18, der Scheibe 18 und dem Abstandshalter 34 und
dem Abstandshalter 34 und der Scheibe 20 angeordnet
sind.
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Jede
Dichtungsanordnung S enthält
bei einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf 4 einen
Dichtungsträger,
vorzugsweise eine Trägerbuchse 80,
eine Sitzbuchse 82 und eine Dichtung 84. Jede
Trägerbuchse 80 enthält eine
Buchse 86, die von einer Stufenbohrung des ihr zugeordneten
Abstandshalters 32 aufgenommen ist, die in der Öffnung 64 ausgebildet
ist. Jede Stützbuchse 80 liegt
außerdem
axial an einer Stelle, die mit einer Anlagefläche 70 an dem Rohr übereinstimmt
und eine Abstützung
für das
Rohr an dieser Axialposition erbringt. Es wird speziell auf die 5A bis 5C Bezug
genommen, in denen die Buchse 80 einen radial nach außen gerichteten Flansch 88 aufweist,
der einem Ende der Buchse 86 benachbart angeordnet ist,
die axial hinter der Stufenbohrung der Öffnung 64 liegt. Die
axiale Endfläche
des Flanschs 88 enthält
außerdem
eine ringförmige
Ausnehmung 90 zur Aufnahme einer Außendurchmesserkante der Dichtung 84.
Der äußere Rand 92 des
Flanschs 88 dient als Anschlag für die Dichtung 84,
wie nachstehend beschrieben.
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Die
in den 7A bis 7C veranschaulichte
Sitzbuchse 82 enthält
eine Buchse 94 mit einem Innendurchmesser der größer als
der Außendurchmesser
der Buchse 86 der Trägerbuchse 80 ist. Wie
in 3 veranschaulicht, geht die Anlagefläche 70 so
in den dünnwandigen
Abschnitt 72 über,
dass der dünnwandige
Abschnitt 72 innerhalb und von der Sitzbuchse 82 beabstandet
angeordnet ist. Die Sitzbuchse 82 enthält einen vergrößerten Radialflansch, der
eine in Axialrichtung schauende Lagerfläche 86 in axialer
Opposition zu dem Flansch 88 der Buchse 80 trägt. Die
Lagerfläche 96 dient
als Sitz für
die Innendurchmesserkante 98 der Dichtung 84.
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Es
wird nun auf die 6A bis 6C Bezug
genommen, die Dichtung 84 weist einen dünnen kegelstumpfförmigen Abschnitt
auf, der sich zwischen ihrem inneren Durchmesser 98 und
dem äußeren Durchmesser 93 erstreckt.
Der zwischen einer Innenseite des Dichtungselements 84 und
einer zu der Rotorachse rechtwinkligen Ebene eingeschlossene Winkel α beträgt ungefähr 13° und liegt
im Bereich von 10° bis
15°. Somit
ist der Winkel klein.
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Aus
der Durchsicht der 4 ergibt sich, dass die Trägerbuchse 80 und
die Sitzbuchse 82 beim anfänglichen Zusammenbau voneinander
beabstandet sind. Die Dichtung 84 ist innerhalb der ringförmigen Ausnehmung 90 angeordnet,
wobei ihre Außendurchmesserkante
innerhalb der Ausnehmung liegt und gegen den äußeren Anschlag oder Flansch 92 drückt. Die
Innendurchmesserkante 98 drückt mit Druckkraft gegen den
ringförmigen
Sitz 96. Bei einem Turbinenstart haben die Scheiben und
Abstandshalter beim Aufheizen die Tendenz, sich in Reaktion auf die
Wärmeausdehnung
des Rotors aufeinander zu zu bewegen. Die signifikanten Druckkräfte, die
dazu tendieren, die Buchsen aufeinander zu zu bewegen, werden von
dem Dichtungsele ment absorbiert. Nach dem Hochfahren der Turbine
und mit Annäherung
an ihren Stationärbetrieb
bewegt sich die Dichtungsanordnung zurück in ihren anfänglichen
Montagezustand. Bei Dauerbetrieb werden jedoch auf die Ränder des
Turbinenrotors und somit auf die Dichtungen hohe Zentrifugalkräfte ausgeübt. Die
kegelstumpfförmige
Ringform der Dichtungsanordnungen liefert jedoch eine ausreichende
Steifheit, um diesen hohen Zentrifugalkräften zu widerstehen während sie
ihre Funktion als Dichtungen behalten.
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Es
ist ersichtlich, dass die Trägerbuchsen und
Sitzbuchsen nicht notwendigerweise in Stufenbohrungen der Abstandshalter
und Scheiben montiert sein müssen.
Es könnten
die Scheiben und Abstandshalter die Trägerbuchsen bzw. Sitzbuchsen halten.
Außerdem
sind die Dichtungsanordnungen, die zwischen der Scheibe 16 und
dem Abstandshalter 32 der zweiten Stufe; dem Abstandshalter 32 und der
Scheibe 18 der dritten Stufe; der Scheibe 18 und dem
Abstandshalter 34 und dem Abstandshalter 34 und
der Scheibe 20 der vierten Stufe liegend veranschaulicht,
jedoch können
die Dichtungsanordnungen auch an anderen Stellen angewendet werden.