DE60033508T2

DE60033508T2 - Bürstendichtung zur verwendung in dampfturbine

Info

Publication number: DE60033508T2
Application number: DE60033508T
Authority: DE
Inventors: Christopher Edward Schenectady WOLFE; Norman Arnold Sloansville TURNQUIST; Robert Harold Johnstown CROMER; Osman Saim Troy DINC; Lawrence Edward Clifton Park RENTZ; Roger Jordan Westminster CARR; Joseph Robert Toth; Edward A. Niskayuna DEWHURST; Frederick George Ballston Spa BAILY
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2020-02-01
Also published as: JP2003521621A; WO2001055624A1; KR100692229B1; KR20010112382A; JP4624630B2; EP1169586B1; EP1169586A1; DE60033508D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine für den Einsatz in Dampfturbinenanwendungen geeignete Bürstendichtungsanordnung, die die Verwendung von Bürstendichtungen zwischen dem Stator und dem Rotor ermöglichen, ohne das dynamische Verhalten des Rotors zu beeinträchtigen.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
In Luftfahrzeugs- und industriellen Gasturbinenanwendungen dienen Bürstendichtungen im Allgemeinen dazu, um eine Abdichtung zwischen rotierenden und statischen Komponenten zu erbringen. Im Allgemeinen sind Bürstendichtungen mit einem Presssitz an dem Rotor angebracht, so dass es den Borsten möglich ist, sich dem Rotor gegenüberliegend Linie für Linie einzulaufen. In Triebwerkanwendungen von Luftfahrzeugen ist der Rotor gewöhnlich mit einer harten Beschichtung, beispielsweise Chromkarbid, beschichtet. Die Rotationskomponenten in Gasturbinen der Luftfahrt und Industrie sind im Allgemeinen steif. Weiter wird das dynamische Verhalten der drehenden Komponente im Allgemeinen durch die Berührung zwischen der Rotationskomponente und der Bürstendichtung, d.h. durch die abdichtende Berührung zwischen den freien Enden oder Spitzen der Bürstendichtung und der Rotationskomponente, nicht beeinträchtigt.
Im Gegensatz zu Gasturbinen der Luftfahrt und Industrie sind Dampfturbinen allerdings dazu konstruiert, oberhalb der ersten kritischen Biegungsfrequenz des Rotors zu laufen, und sie arbeiten häufig nahe der zweiten kritischen Biegungsfrequenz. Es zeigte sich, dass die Verwendung von Bürstendichtungen in Dampfturbinen nach der herkömmlichen Theorie einer Dichtungskonstruktion, d.h. mit einer Berührung zwischen den Spitzen der Borsten und der Rotationskomponente, dazu führt, dass die Bürstendichtungen den Rotor in Schwingung versetzen. Es wird angenommen, dass dies durch ungedämpftes Anlaufen der Bürstendichtungen an dem Rotor insbesondere dort, wo der Rotor eine Durchbiegung aufweist, verursacht wird. Die von dem Anlaufen ausgehende Friktion führt zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung um den Umfang des Rotors, wobei die erhabene Stelle an dem Rotor zunehmend heißer wird. D.h., falls der Rotor eine Durchbiegung aufweist, wird der vorstehende Abschnitt des Rotors aufgrund der ansteigenden Reibungswärme bevorzugt erwärmt, was wiederum die Durchbiegung des Rotors weiter steigert mit der Folge einer Steigerung der Schwingung.
Es hat sich außerdem herausgestellt, dass Bürstendichtungen während des Hochfahrens einer Dampfturbine keine thermische Entlastung vorsehen. Beim Hochfahren strömt nur sehr wenig Dampf durch die Turbine, und es strömt praktisch kein Dampf an der Bürstendichtung vorbei. Wenn kein Dampfstrom vorhanden ist, wird die zwischen der Bürstendichtung und dem Rotor durch Reibung erzeugte Wärme nicht abgeleitet, was den Wärmestau in dem Rotor an der Dichtung und besonders in den vorstehenden Abschnitten verschärft. Es hat sich herausgestellt, dass ein Kontakt der Bürstendichtungen mit einem Dampfturbinenrotor, der nahe oder oberhalb von kritischen Biegungsfrequenzen arbeitet, ausreichend Wärme erzeugt, um das dynamische Verhalten des Rotors in einer Weise zu beeinträchtigen, die zu äußerst schädlichen Rotorschwingungen führt.
Ein weiteres Phänomen, von dem angenommen wird, dass es das durch Berührung mit der Bürstendichtung verursachte dynamische Verhalten des Rotors beeinträchtigt, ist der Effekt des Niederblasens. Niederblasen ist der radial nach innen fließende Strom von stromaufwärts befindlichem Fluid, der durch die Bürstendichtung gelangt, wobei er bewirkt, dass die Borsten dazu neigen, sich nach innen gegen den Rotor zu bewegen. Der Effekt des Niederblasens erhöht die Borstenkontaktandruckkraft und das Rotorschlagen, wenn eine anfängliche Berührung zwischen den Borsten und dem Rotor vorhanden ist. Es reduziert oder eliminiert, wo vorgesehen, einen anfänglichen Toleranzabstand, was eine Steigerung der Erwärmung begünstigt. In jedem Ansatz zur Verringerung des Reibungswärme erzeugenden Reibungskontakts zwischen der Bürstendichtung und der Rotationskomponente müssen die Phänomene des Niederblasens berücksichtigt werden.
In der EP-A-0 534 686 ist eine Bürstendichtung in einer Anordnung beschrieben, die im Wesentlichen den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 der Erfindung entspricht.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Bürstendichtung positioniert und dimensioniert, um zwischen den Borstenspitzen und der rotierenden Komponente über den gesamten Betriebsbereich der Turbine einen Toleranzabstand vorzusehen, wobei insbesondere die Effekte des Niederblasens und der durch Temperaturveränderungen verursachten Dimensionsänderungen berücksichtigt werden. Dementsprechend ist die Bürstendichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dazu eingerichtet, in sämtlichen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen den Spitzen der Borsten und der Rotationskomponente eine minimale Toleranz vorzusehen. Beispielsweise sieht die vorliegende Erfindung, selbst im Falle des höchsten Druckabfalls über die Dichtung und dem größten Strom über die Dichtung, und die Phänomene des Niederblasens und der thermischen Dimensionsänderungen des Rotors und Stators berücksichtigend, immer eine minimal Lauftoleranz zwischen den Borstenspitzen und dem Rotor vor. Auf diese Weise sind die oben erwähnten Schwingungsprobleme auf ein Minimum reduziert oder eliminiert. Für eine vorgegebene maximale Druckdifferenz und einen maximalen Strom über die Bürstendichtung, falls der Rotor beispielsweise einen Durchmesser von x aufweist und die Bürstendichtung ein radiales Maximum von 250 μm (10 Tausendstelzoll) von Niederblasen bei jenem Druck und Strom aufweist, und die maximale radiale Auswanderung der Welle gleich 125 μm (5 Tausendstelzoll) ist, sollte der innenliegende Radius der Borstenspitzen beim Hochfahren darauf eingerichtet sein, 1/2 x + 375 μm (15 Tausendstelzoll) zu übersteigen, um einen gewissen Toleranzabstand zwischen den Borstenspitzen und dem Rotor über den Betriebsbereich aufrecht zu erhalten. Die Verringerung der Dichtungsleistung, die durch die Bürstendichtungstoleranz, wie oben beschrieben, hervorgerufen wird, ist minimal, während die Vorteile des Ausschließens oder Minimierens von Schwingungen bedeutend sind.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Anordnung, die aufweist: eine drehende, um eine Achse drehbare Komponente, eine die drehende Komponente und die Achse umgebende statio näre Komponente, wobei die drehende Komponente über den gesamten Betriebsbereich der Anordnung einschließlich eines Startzustands der Anordnung eine radiale Maximalauswanderung in Bezug auf die Achse aufweist, und eine von der stationären Komponente getragene Bürstendichtung um die Achse, die eine Vielzahl von Borsten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Borsten in freien Enden endet, die radial von der drehenden Komponente in einem Radialabstand relativ zu der Achse beabstandet sind, der die maximale radiale Auswanderung der drehenden Komponente in Bezug auf die Achse übersteigt, um einen radialen Abstand zwischen der drehenden Komponente und den freien Enden der Borsten über den gesamten Betriebsbereich der Anordnung beizubehalten, so dass das dynamische Verhalten der drehenden Komponente nicht durch Berührung zwischen den Borsten und der drehenden Komponente beeinträchtigt wird.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbine geschaffen, mit einer um eine Achse drehbaren rotierenden Komponente, einer die rotierende Komponente und die Achse umgebenden stationären Komponente und mit einer Bürstendichtung, die von der stationären Komponente getragen wird und Borsten aufweist, die auf die rotierende Komponente hin weisen, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören, dass dynamisches Verhalten der drehenden Komponente in Reaktion auf Berührung zwischen den Borsten und der drehenden Komponente verhindert wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Turbine mit einem Abstand zwischen den Borstenspitzen und der drehenden Komponenten über den gesamten Betriebsbereich der Turbine vom Start bis zum Abschalten und einschließlich Niederblasen der Borsten und radiale Dimensionsänderungen betrieben wird, die durch Temperaturverän derungen der drehenden Komponente an der Axialstelle der Bürstendichtung verursacht wird.
Dementsprechend ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verwendung von Bürstendichtungen an Turbinenrotorkomponenten zu ermöglichen, ohne das dynamische Verhalten des Rotors zu beeinträchtigen, so dass die Turbinenrotoren in Nähe von kritischen Biegungsfrequenzen laufen können, ohne dass eine erhöhte Gefahr einer thermischen Durchbiegung des Rotors und daraus folgender Schwingungen besteht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht in einer Schnittansicht durch einen Stator und Rotor einer Turbine eine Bürstendichtung in einer Dichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2 zeigt eine im Wesentlichen entlang der Schnittlinie 2-2 in 1 genommene Schnittansicht davon.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit Bezugnahme auf 1 sind eine stationäre Komponente 10 und eine Rotationskomponente 12 veranschaulicht, die einen Teil einer Turbine bilden, wobei sowohl die stationäre als auch die rotierende Komponenten 10 bzw. 12 um eine gemeinsame Achse angeordnet sind. Die stationäre Komponente 10 weist eine Schwalbenschwanznut 14 auf, um eine allgemein mit 16 bezeichnete Dichtungsringanordnung aufzunehmen, die Laby rinthdichtungszähne 18 trägt, um eine mehrere Stufen aufweisende Labyrinthdichtung zu schaffen. Unter Bezugnahme auf 2 basiert die Dichtungsringanordnung auf einer Anzahl von bogenförmigen Dichtungssegmenten 20, die in einer in Umfangsrichtung angeordneten Reihe um den Rotor 12 angeordnet sind. Unter Bezugnahme auf 1 basiert die Wirkung der Labyrinthdichtung im Allgemeinen darauf, dass gegen den Dampfstrom von dem Hochdruckbereich 24 auf der einen Seite der Dichtung zu einem Niederdruckbereich 22 auf der entgegengesetzten Seite eine verhältnismäßig große Anzahl von Teilbarrieren errichtet sind. Jede Barriere, d.h. jeder Zahn 18, bewirkt, dass Dampf, der dazu neigt, parallel zu der Achse der Turbinewelle 12 zu strömen, einem gewundenen Pfad folgen muss, wodurch ein Druckabfall entsteht. Daher weist jedes Dichtungssegment 20 eine Dichtungsfläche 26 auf, die mit den vorspringenden radialen Zähne 18 ausgebildet ist. Die Dichtungsfläche 26 ist durch ein Paar Flansche 28 gebildet, die axial voneinander weg stehen, obwohl in gewissen Anwendungen möglicherweise lediglich ein einziger solcher Flansch erforderlich ist. Die radial äußeren Bereiche der Dichtungssegmente 20 weisen positionierende Haken oder Flansche 30 auf, die sich in ähnlicher Weise von dem Segment 20 aus in axial entgegengesetzte Richtungen voneinander weg erstrecken. Die Schwalbenschwanznut 14 weist ein Paar Führungsflansche 32 auf, die sich axial aufeinander zu erstrecken und zwischen sich einen Schlitz 34 definieren. Ein Hals 36 jedes Segments 20 verbindet die Flansche 30 und 28 miteinander, wobei sich der Hals 36 in dem Schlitz 34 erstreckt.
Es ist einsichtig, dass die Segmente 20 nach 2 Dichtungsringsegmente für positiven variablen Druck aufweisen können, die sich um die Welle 12 herum zwischen einer am weitesten außen angeordneten geöffneten Position einer großen Toleranz und einer am weitesten innen angeordneten geschlossenen Position einer geringen Toleranz bewegen lassen. Die Segmente werden in ihre am weitesten außen angeordnete Position durch nicht gezeigte Federn bewegt, die zwischen den Flanschen 30 und den Führungsflanschen 32 angeordnet sind, und werden nach innen durch Dampfdruck bewegt. Diese Typen von eine variable Toleranz aufweisenden Dichtungsringsegmenten sind aus dem Stand der Technik bekannt, siehe z.B. die US-Patentschrift 5 503 405, die dem Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen ist.
In dem Dichtungsringsegment ist eine Bürstendichtung vorgesehen, um eine kombinierte Labyrinthbürstendichtung zu schaffen. Die Bürstendichtung basiert auf einem Paar Scheiben 40 und 42, die an einander gegenüber liegenden Seiten einer Bürstendichtungspackung angeordnet sind, die ein Vielzahl von Borsten 44 enthält. Die Borsten 44 sind vorzugsweise an ihren radial äußeren Enden verschweißt und ragen unter einem Neigungswinkel im Wesentlichen radial nach Innen über die radial am weitesten innen angeordneten Ränder der Scheiben 40 und 42 hinaus, um in freien Enden 46 zu enden.
Es ist einsichtig, dass herkömmliche Ausführungen von Bürstendichtungen voraussetzen, dass die freien Enden 46 der Borstenpackung normalerweise die Oberfläche des Rotors berühren, um die Abdichtung zu bewirken. Es wird davon ausgegangen, dass die Borsten ausreichend elastisch sind, um die radialen Auswanderungen der Welle aufzunehmen. Allerdings wurde im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung entdeckt, dass das dynamische Verhalten des Rotors durch die Berührung zwischen dem Rotor und den Bürstendichtungen erheblich beeinträchtigt wird. Es ist klar, dass im Falle von Bürstendichtungen, die ständig an dem Rotor reiben, die Temperatur um den Umfang des Rotors aufgrund der erzeugten Reibung steigt. Nachdem der Rotor eine Durchbiegung aufweist, wie sie typischerweise bei Dampfturbinen vorhanden ist, wird der vorstehende Abschnitt des Rotors durch Berührung zwischen dem Rotor und den Spitzen der Bürstendichtung bevorzugt erwärmt, wobei die Rotortemperatur an dem vorstehenden Abschnitt zunehmend steigt. Diese gesteigerte Wärmeentwicklung tritt insbesondere während der Phase des Hochfahrens, in der kein Kühldampfstrom vorhanden ist, verschärft auf. Nachdem die Bürstendichtungen zusammengesetzt sind, um mit dem Rotor in Berührung zu kommen, steigert das anhaltende Reiben daher die Temperatur, was eine weitere thermische Verformung und Durchbiegung hervor ruft, und in der Folge werden die Schwingungen an der Turbine zunehmend gravierender.
Darüber hinaus verschärft der Effekt des Niederblasens das Problem noch zusätzlich. Niederblasen basiert auf einem radial nach innen gerichteten Strom von stromaufwärts befindlichen Fluid höheren Drucks, der bewirkt, dass sich die Borsten gegen die Welle biegen, wodurch die Andruckkraft zwischen den Borsten und der Welle verstärkt wird, was aufgrund der reibenden Berührung noch höhere Temperaturen entstehen lässt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie in 1 und 2 veranschaulicht sind die Borstenspitzen bewusst dazu eingerichtet, unter sämtlichen Betriebsbedingungen der Turbine vom Start bis zum Abschalten, einschließlich der Phasen von Effekten des Niederblasens, einen Toleranzabstand zu der Rotorwelle vorzusehen. D.h., die Bürstendichtungsspitzen sind von dem Rotor in einem radialen Abstand beabstandet, der die maximale radiale Auswanderung des Rotors in Bezug auf die Achse übersteigt, um zwischen dem Rotor und den Bürstendichtungsspitzen über den gesamten Betriebsbereich der Turbine einen radialen Abstand beizubehalten, so dass das dynamische Verhalten des Rotors nicht durch Berührung zwischen den Borsten und dem Rotor beeinträchtigt wird. Dadurch dass jede reibende Berührung zwischen den Borstenspitzen und dem Rotor während des gesamten Bereichs des Betriebes der Turbine eliminiert ist, wird Reibungswärme vermieden, und die Schwingungen der Turbine, die sonst aufgrund einer durch den Reibungskontakt hervorgerufenen ständig gesteigerten Wärme entstehen, sind ausgeschlossen. Das dynamische Verhalten des Rotors wird daher durch die Verwendung von Bürstendichtungen nicht beeinträchtigt. Während aufgrund des Toleranzabstands zwischen den Borstenspitzen und dem Rotor insbesondere beim Kaltstart zwar eine Verringerung der Dichtungsleistung vorhanden ist, wird durch den bei einem über die Bürstendichtung vorhandenen Betriebsdruckabfall auftretenden Effekt des Borstenniederblasens, der bewirkt, dass sich die Büstendichtungen in Richtung des Rotors biegen, was den Toleranzabstand verkleinert, die Verringerung der Dichtungsleistung gemildert und der Toleranzabstand zu einem gewissen Grad reduziert. Die Konstruktion erhält jedoch einen ausreichenden Toleranzabstand aufrecht, so dass für sämtliche Betriebsbedingungen auch im Falle des Effekts des Niederblasens eine reibende Berührung vermieden ist. Die vorteilhaften Wirkungen des Ausschließens von Schwingungen, die durch Erwärmungseffekte von in Kontakt mit dem Rotor stehenden Bürstendichtungen hervorgerufen werden, überwiegen eine eventuelle Minderung der Dichtwirkung, die auf den Toleranzabstand zwischen den Bürstendichtungsborstenspitzen und dem Rotor zurückzuführen ist, bei weitem.

Claims

Anordnung, die aufweist: eine drehende, um eine Achse drehbare Komponente (12), eine die drehende Komponente und die Achse umgebende stationäre Komponente (10), wobei die drehende Komponente über den gesamten Betriebsbereich der Anordnung einschließlich eines Startzustands der Anordnung eine radiale Maximalauswanderung in Bezug auf die Achse aufweist, und eine von der stationären Komponente getragene Bürstendichtung (48) um die Achse, die eine Vielzahl von Borsten (44) aufweist, dadurch ge kennzeichnet, dass die Vielzahl von Borsten (44) in freien Enden (46) endet, die radial von der drehenden Komponente (12) in einem Radialabstand relativ zu der Achse beabstandet sind, der die maximale radiale Auswanderung der drehenden Komponente in Bezug auf die Achse übersteigt, um einen radialen Abstand zwischen der drehenden Komponente und den freien Enden der Borsten über den gesamten Betriebsbereich der Anordnung beizubehalten, so dass das dynamische Verhalten der drehenden Komponente nicht durch Berührung zwischen den Borsten und der drehenden Komponente beeinträchtigt wird.
Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbine mit einer um eine Achse drehbaren rotierenden Komponente (12), einer die rotierende Komponente und die Achse umgebenden stationären Komponente (10) und mit einer Bürstendichtung (48), die von der stationären Komponente getragen wird und Borsten (44) aufweist, die auf die rotierende Komponente hin weisen, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören, dass dynamisches Verhalten der drehenden Komponente in Reaktion auf Berührung zwischen den Borsten und der drehenden Komponente verhindert wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Turbine mit einem Abstand zwischen den Borstenspitzen (46) und der drehenden Komponenten über den gesamten Betriebsbereich der Turbine vom Start bis zum Abschalten und einschließlich Niederblasen der Borsten und radiale Dimensionsänderungen betrieben wird, die durch Temperaturveränderungen der drehenden Komponente an der Axialstelle der Bürstendichtung verursacht wird.
Turbine mit einer Anordnung nach Anspruch 1.