DE69920463T2

DE69920463T2 - Zwischendichtung für eine turbine

Info

Publication number: DE69920463T2
Application number: DE69920463T
Authority: DE
Inventors: S. John BRUSHWOOD; E. Raymond CHUPP
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: DE69920463D1; EP1097293B1; JP4362231B2; WO2000004278A1; KR100601786B1; US6220814B1; KR20010053529A; JP2002520540A; EP1097293A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf mehrstufige, rotierende Maschinen und dort speziell auf eine Anordnung zum Schützen der normalerweise zwischen den Stufen vorhandenen Dichtungen und zum besseren Beherrschen von Leckagen zwischen den Stufen.
Stand der Technik
Bei verschiedenen zur Energieumwandlung benutzen mehrstufigen, rotierenden Maschinen wie beispielsweise Turbinen wird zur Erzeugen der Drehbewegung ein Fluid genutzt. In einer Turbinenstufe lässt man ein Fluid hohen Drucks und geringer Geschwindigkeit über feststehende Düsen oder Leitschaufeln ausströmen, wobei ein Strahl mit geringerem Druck und höherer Geschwindigkeit entsteht, der dann auf die Schaufeln einer Rotorbaugruppe gelenkt wird und diese zum Rotieren bringt. Die Turbine besteht aus mehreren solchen Stufen, in jeder davon wird die kinetische Energie des Fluid in kinetische Rotationsenergie der Rotorbaugruppe umgewandelt.
Jede etwaige Fluid-Leckage zwischen den Stufen verringert Leistung und Wirkungsgrad der Turbine, deshalb befinden sich zwischen den Stufen ringförmige Dichtungen in Dichtungsgehäusen, um solche Leckagen zu minimieren. Im Allgemeinen wird eine Durchflussleckage minimiert, wenn der Spalt zwischen der Dichtung und dem rotierenden Rotor möglichst klein gehalten wird. Während des Hochlaufens der Turbine dehnt sich die Rotorbaugruppe radial aus, berührt möglicherweise die Dichtung und deformiert sie dadurch. Um das Entstehen dieser unerwünschten Berührung zu verhindern, wird ein Dichtungsgehäuse mit ausreichendem Abstand zur Rotorbaugruppe eingebaut, um die anfängliche Ausdehnung der Rotorbaugruppe zu ermöglichen. Allerdings ist im stationären Betriebszustand wegen der anfänglichen Positionierung des Dichtungsgehäuses der Spalt zwischen der Dichtung und der Rotorbaugruppe nicht optimal, was die Leistung der Turbine verringert.
Das US-Patent 3,829,233 beschreibt ein Gehäuse für Dichtungen zwischen Turbinenstufen, welches sich unabhängig vom inneren Zylinder der Turbine und den Leitschaufeln, wovon es gestützt wird, thermisch ausdehnen kann. Allerdings wird in dieser Anordnung nicht die thermische Ausdehnung des Rotors unter Übergangsbedingungen kompensiert, sodass zwischen Dichtung und Rotor ein breiterer Spalt vorgesehen werden muss, als es im stationären Betriebszustand erforderlich ist.
Das deutsche Patent DE 39 01 167 A1 zielt auf ein analoges Problem in einer Zentrifugalpumpe, die unter weitaus weniger aggressiven Bedingungen arbeitet, als sie in einer Turbine vorliegen; dabei wird das die Pumpenwelle umschließende Pumpengehäuse während des Hochlaufens aufgeheizt, und zwar wird die Wärme entlang einer parallel zur Pumpenwelle verlaufenden Linie zugeführt.
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Anordnung, bei der die Dichtungen im stationären Betriebszustand näher an der Rotorbaugruppe platziert werden können, um ein Vorbeifließen das Fluids weitmöglichst zu vermindern und so den Gesamtwirkungsgrad zu steigern.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die Erfindung besteht in einer Anordnung, welche eine aus einem feststehenden Teil und einer Rotorbaugruppe bestehende Gasturbinenstufe umfasst, wobei diese Anordnung aus Folgendem besteht: ein mit dem besagten feststehenden Teil der besagten Turbine verbundenes Dichtungsgehäuse; mindestens eine (1) von dem besagten Dichtungsgehäuse nahe der besagten Rotorbaugruppe gehaltene Dichtung; und eine Aufheizvorrichtung in thermischem Kontakt mit dem besagten Dichtungsgehäuse; dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Aufheizvorrichtung aus mindestens einem (1) Heizkabel besteht, dass das besagte Dichtungsgehäuse eine am Umfang verlaufende Nut besitzt und dass das besagte Heizkabel in der besagten Nut platziert ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 zeigt einen axialen Schnitt eines Teils einer Gasturbine.
2 zeigt eine Kurve, die den Hochlaufzyklus an einer zwischen den Stufen einer typischen Gasturbine liegenden Stelle illustriert.
3 zeigt ein Heizelement, das bei der Realisierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
4 zeigt ein Schema eines Aufheizsystems für die Turbine von 1.
5 zeigt ein Blockschaltbild einer Aufheizsteuerung für das System von 4.
6 zeigt eine Kurve, die den Hochlaufzyklus an einer zwischen den Stufen einer typischen Gasturbine liegenden Stelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, werden gleiche oder korrespondierende Teile mit gleichen oder korrespondierenden Zahlen bezeichnet.
Zwar ist die vorliegende Erfindung bei vielen unterschiedlichen rotierenden Maschinen anwendbar, doch wird sie hier unter Bezugnahme auf eine Turbine – genauer: auf eine Gasturbine – beschrieben, von der 1 einen Teil zeigt.
1 zeigt zwei mit je einem Laufrad 12 bzw. 13 einer Rotorbaugruppe verbundene Turbinenschaufeln 10 und 11, von denen jede einen zugehörigen Laufradarm 14 bzw. 15 besitzt. Ein ringförmiges Band 16 greift in die Laufradarme 14 und 15 ein und verhindert weitestmöglich, dass im Hohlraum 17 befindliches Laufrad-Kühlgas in den Laufradhohlraum 18 gelangt.
Am feststehenden Teil der Turbine ist eine Leitschaufel 20 befestigt, die einen vorderen Ringflansch 22 und einen hinteren Ringflansch 23 enthält, zwischen denen ein Dichtungsgehäuse 24 sitzt. Das Dichtungsgehäuse 24 wird mittels eines verstellbaren, durch eine Feder vorgespannten Mechanismus 26 zwischen den Flanschen 22 and 23 in Position gehalten, was eine Wärmedehnung des Dichtungsgehäuse 24 unabhängig von der Leitschaufelbaugruppe ermöglicht.
Das Dichtungsgehäuse 24 enthält mindestens eine (1) Dichtung wie etwa die Labyrinthdichtung 30, die mehrere zu den Laufradarmen 14 und 15 hin reichende Finger 31 besitzt. 1 zeigt außerdem eine Dichtung anderer Art, nämlich eine Bürstendichtung 34 mit Borsten 35, die den Laufradarm 15 berühren können, um mitzuhelfen, die Menge des durch die Dichtung strömenden Gases von der vorherigen zur nachfolgenden Stufe (in 1 von links nach rechts) möglichst gering zu halten.
Es wird auch Kühlgas über in den Leitschaufeln 20 befindliche innere Wege in die ringförmige Kammer 40 oberhalb des Dichtungsgehäuses 24 geleitet, und dieses Gas gelangt zwischen den Flanschen 22 und 23 und dem Dichtungsgehäuse 24 hindurch in den hinteren Laufradhohlraum 18 und in den vorderen Laufradhohlraum 42. Außerdem wird das Kühlgas von der Kammer 40 mittels des im Dichtungsgehäuse 24 befindlichen Gasweges 44 in den Raum links der Dichtung 30 geleitet. Ein Teil dieses Gases gelangt über eine Messerdichtung 46 auch in den Laufradhohlraum 42.
Das Gas in den Laufradhohlräumen 18 und 42 unterstützt nicht nur die Kühlung des Trägers der Turbinenschaufeln 10 und 11, sondern sorgt auch für eine Gegenkraft gegen den Druck des die Turbinenschaufeln antreibenden heißen Gases (dargestellt durch die Pfeile 50 und 51). Das heißt, dass das heiße Gas daran gehindert wird, aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse in die Laufradhohlräume 18 und 42 einzudringen. Wenn die Dichtungen verschlissen sind oder aus anderem Grund einen zu großen Abstand zu den Laufradarmen 14 und 15 der Rotorbaugruppe haben, dann wird der Bedarf an Kühlgas extrem groß, was den Gesamtwirkungsgrad der Turbine verringert.
Als Beispiel (siehe hierzu auch 2) wird ein Hochlaufzyklus an einer Stelle zwischen den Stufen einer typischen Turbine gezeigt, wie sie in 1 dargestellt ist. Auf der X-Achse ist die Zeit aufgetragen, auf der linken Y-Achse als Kurve 60 der normierte Spalt zwischen Dichtung und Rotor (d. h. zwischen Dichtungsspitze und Laufradarm) und auf der rechten Y-Achse als Kurve 61 die Turbinendrehzahl.
Die Kurve gilt für eine Labyrinthdichtung, würde aber bei einer Bürstendichtung ähnlich aussehen, nur wären dann die Spalte kleiner.
Es sind unterschiedliche Drehzahlverläufe möglich, im Beispiel wird die Turbine zum Zeitpunkt t0 gestartet, dann die Drehzahl bis zum Zeitpunkt t1 gesteigert und anschließend zwischen t1 und t2 konstant gehalten. In der Zeit zwischen t0 und t1 vergrößert sich der Durchmesser der Rotorbaugruppe durch die Zentrifugalkraft und somit verkleinert sich der Spalt zwischen Dichtung und Rotor entsprechend und bleibt dann zwischen t1 und t2 konstant. Während einer zweiten Drehzahlerhöhung von t2 bis t3 vergrößert sich der Rotor weiter, und zum Zeitpunkt t3 stellt sich eine maximale Dichtungswirkung (minimaler Spalt) ein. Ab dem Zeitpunkt t3 und mit dem Erreichen der stationären Drehzahl der Turbine zum Zeitpunkt t4 beginnt das Dichtungsgehäuse sich wegen der Wärmewirkungg auszudehnen, wodurch sich der Spalt zwischen Dichtung und Rotor vergrößert.
Zum Zeitpunkt t5 hat das Dichtungsgehäuse seine maximale radiale Ausdehnung erreicht (normierter Wert = 1) und mit der folgenden thermischen Ausdehnung des Rotors verkleinert sich der Spalt wieder, bis zum Zeitpunkt t6 ein stationärer Zustand erreicht ist, in dem der Spalt zwischen Dichtung und Rotor etwa den Wert 0,75 (verglichen mit dem Maximalwert von 1 zum Zeitpunkt t5 und einem Minimalwert von circa 0,33 zum Zeitpunkt t3) hat. Wäre dieser Spalt zwischen dem Dichtungsgehäuse und dem Rotor im stationären Zustand kleiner, dann könnte eine viel bessere Dichtungswirkung erreicht werden. Wenn man allerdings den anfänglichen Abstand zwischen dem Dichtungsgehäuse und der Rotorbaugruppe im kalten Zustand konstruktiv kleiner wählt, dann entsteht die Gefahr, dass die Dichtung die Rotorbaugruppe zum Zeitpunkt t3 wirklich berührt und dadurch beschädigt wird, da die Rotorbaugruppe zuerst größer wird. Die vorliegende Erfindung umgeht diese mögliche Gefahrensituation und ermöglicht einen geringeren Abstand im stationären Betriebszustand.
Es werde nun nochmals die 1 betrachtet. Bei der vorliegenden Erfindung bewegt sich nun in Wirklichkeit vor dem Starten der Turbine das Dichtungsgehäuse 24 zusammen mit seinen Dichtungen 30 und 34 radial von der Rotorbaugruppe weg. Dies wird durch das Vorhandensein einer Aufheizvorrichtung erreicht, welche eine thermische Ausdehnung und eine damit korrespondierende radiale Bewegung des Dichtungsgehäuses 24 verursacht. Genauer gesagt, befindet sich ein Heizkabel 70 in thermischem Kontakt mit dem Dichtungsgehäuse 24; wird dieses Heizkabel bestromt, dann bewirkt es, dass sich das Dichtungsgehäuse radial ausdehnt.
Bei der Ausführungsform von 1 sitzt das Heizkabel 70 in einer in das Dichtungsgehäuse 24 eingearbeiteten und an dessen Umfang verlaufenden Nut 72 und wird dort beispielsweise mithilfe eines wärmeleitenden Klebers festgehalten. Um die Temperaturverhältnisse des Dichtungsgehäuses feststellen zu können, enthält die Anordnung einen oder mehrere Temperaturfühler 74, die an dem Heizkabel 70 befestigt sein können.
3 zeigt ein handelsübliches Heizkabel, das die innerhalb einer Magnesiumoxid-Isolierung 78 befindlichen und von einem Mantel 80 aus einer Legierung umschlossenen Heizelemente 76 und 77 enthält. Der Temperaturfühler 74 ist an der Außenseite des Mantels 80 befestigt. Das Kabel erhält bei seiner Herstellung eine vorgegebene, zu der der Nut 72 passende Krümmung, oder es kann (falls es flexibel genug ist) beim Einlegen gebogen werden.
Bei einem aus zwei bogenförmigen 180°-Abschnitten bestehenden Dichtungsgehäuse 24 kann das Heizkabel 70 auch aus zwei bogenförmigen 180°-Abschnitten 70a und 70b bestehen, wie in 4 gezeigt.
Die Heizkabelabschnitte 70a and 70b sind elektrisch an ein Aufheizsteuerungssystem 82 angeschlossen, das auch elektrische Energie an das Kabel liefern kann, wie in 5 genauer gezeigt, die nun weiter betrachtet werde.
In 5 liefert eine Stromversorgungseinheit elektrische Energie an das Heizkabel 70, d. h. an die beiden Hälften 70a und 70b, und zwar über den jeweiligen Thermostaten 86a bzw. 86b, der den entsprechenden Leitungsschalter 88a bzw. 88b steuert.
Das Öffnen und Schließen des Schalters 88a wird durch einen Controller 90a gesteuert, welcher einen positiven Eingang 91a für eine vom Sollwertgeber 92a gelieferte, eine gewünschte Aufheizvorrichtungstemperatur angebende Spannung hat. Einem negativen Eingang 93a wird von der Entscheidungsschaltung 94a eine Information über die momentane Temperatur der Aufheizvorrichtung zugeführt. Bei der Ausführungsform von 5 werden zwei räumlich getrennte Temperaturfühler benutzt, um Signale zu erzeugen, die Temperaturen der Aufheizvorrichtung angeben. Diese Signale werden über die elektrischen Leitungen 95a und 96a der Entscheidungsschaltung 94a zugeführt, welche dann den höheren oder den niedrigeren Wert (falls es einen gibt) nehmen oder aber irgendeinen Mittelwert der beiden Signale ausgeben kann.
Die Differenz zwischen den den Eingängen 91a und 93a zugeführten Signale wird auf ein Proportionalglied 97a des Controllers 90a gegeben; wenn beide Signale gleich sind oder sich nur um weniger als einen vorgegebenen Grenzbetrag unterscheiden und damit anzeigen, dass die gewünschte Temperatur erreicht ist, bewirkt das Proportionalglied 97a das Öffnen des Schalters 88a.
Die zuvor hinsichtlich des Thermostats 86a gegebene Funktionsbeschreibung gilt in entsprechender Weise auch für die Funktion des Thermostats 86b, der das Bestromen der Aufheizvorrichtung 70b steuert.
6 zeigt den Hochlaufzyklus an einer zwischen den Stufen einer erfindungsgemäß aufgebauten Gasturbine liegenden Stelle. Die Achsen und die Kurve 61 der Turbinendrehzahl sind dieselben wie die in 2 gezeigten. Die Kurve 99 des Dichtungsspaltes verläuft jedoch völlig anders als ihr Gegenstück 60 in 2.
Genauer gesagt, wird die Dichtungs-Aufheizvorrichtung 70 eine gewisse Zeit –t vor dem normalen Startzeitpunkt t0 der Turbine bestromt, wodurch sich das Dichtungsgehäuse 24 thermisch ausdehnt und sich zusammen mit seinen Dichtungen von der Rotorbaugruppe wegbewegt, sodass zum Zeitpunkt t0 des tatsächlichen Startens der Turbine der Dichtungsspalt bereits einen Größe von circa 0,89 hat. Er erreicht nicht – wie es in 2 der Fall ist – den Maximalwert von 1, weil er im anfänglichen kalten Zustand konstruktiv kleiner gewählt ist, also die Dichtung näher am Rotor sitzt. Während der ersten Drehzahlsteigerung von t0 bis t1 vergrößert sich die Rotorbaugruppe durch Zentrifugalkraft, was den Spalt verkleinert. Während der zweiten Drehzahlsteigerung von t2 bis t3 verkleinert sich der Spalt weiter, und nachdem die Turbine zum Zeitpunkt t4 die Drehzahl des stationären Zustands erreicht hat, bewirkt die thermische Ausdehnung der Rotorbaugruppe ein gleichmäßiges Verengen bis zum Zeitpunkt t6, in welchem sich ein dem stationäreren Zustand entsprechender Spalt von circa 0,46 einstellt, das ist ein erheblich kleinerer Wert als der dem Stand der Technik entsprechende Wert 0,75, wie er in 2 gezeigt ist. Bei einer Bürstendichtung ist der Spalt im stationären Zustand sogar noch enger.
Demnach kann die Dichtung bei der vorliegenden Erfindung anfänglich näher an der Rotorbaugruppe platziert werden, da sie vor dem Starten der Turbine durch einen thermischen Effekt von der Rotorbaugruppe wegbewegt wird. Dimensioniert man ein herkömmliches Dichtungsgehäuse mit einem zum Zeitpunkt t0 großen anfänglichen Spalt zwischen Dichtung und Rotor, so dehnt sich dieses beim Hochlaufen thermisch aus und der Spalt im stationäreren Zustand wird dann unerwünscht groß.
Andererseits, wenn man das Gehäuse anfänglich näher der Rotorbaugruppe platziert, so wird/werden die Dichtung/en möglicherweise während des Hochlaufens durch Größerwerden des Rotorbaugruppe beschädigt.
Als Beispiel sei noch erwähnt, dass man – wenn man möchte – die Aufheizvorrichtung auch während des Herunterlaufens der Turbine einschalten kann, um die Dichtungen während des letzten Teils dieses Auslaufvorgangs vom Rotor wegzubewegen oder entfernt zu halten.

Claims

Eine Anordnung, die aus einer Gasturbinenstufe mit einem feststehenden Teil (20) und einer Rotorbaugruppe (12, 13, 14, 15) besteht und Folgendes umfasst: – ein Dichtungsgehäuse (24), befestigt an dem besagten feststehenden Teil (20) der besagten Turbine; – mindestens eine Dichtung (30), vom besagten Dichtungsgehäuse (24) getragen und in geringem Abstand zu der besagten Rotorbaugruppe (14, 15) gehalten; und – eine Aufheizvorrichtung (70) in thermischem Kontakt zu dem besagten Dichtungsgehäuse (24); dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Aufheizvorrichtung (70) aus mindestens einem (1) Heizkabel besteht, und dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Dichtungsgehäuse (24) eine am Umfang verlaufende Nut (72) besitzt; wobei das besagte Heizkabel (70) in der besagten Nut (72) platziert ist.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die besagte Aufheizvorrichtung (70) aus zwei bogenförmigen 180°-Heizkabelabschnitten (70a, 70b) besteht.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 1, die mindestens einen Temperaturfühler (74) enthält, der geeignet platziert ist, um eine Information über die Temperatur des besagten Dichtungsgehäuses (24) zu bekommen.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, die mindestens einen Temperaturfühler (74) enthält, der geeignet platziert ist, um eine Information über die Temperatur des besagten Dichtungsgehäuses (24) zu bekommen, wobei der besagte Temperaturfühler (74) mit dem besagten Heizkabel (70) in Kontakt steht.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 4, die ein Aufheizsteuerungssystem (82) zum Steuern der Funktion der besagten Aufheizvorrichtung (70) enthält.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 5, wobei das besagte Aufheizsteuerungssystem (84) Folgendes umfasst: (i) eine Quelle elektrischer Energie; und (ii) einen Thermostaten (86), der auf vorbestimmte Temperaturbedingungen durch Herstellen und Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen der besagten Quelle (84) elektrischer Energie und der besagten Aufheizvorrichtung (70) reagiert.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 6, wobei der besagte Thermostat (86) Folgendes umfasst: (i) einen Schalter (88) zum Herstellen und Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen der besagten Quelle (84) elektrischer Energie und der besagten Aufheizvorrichtung (70); (ii) einen Controller (90) mit einem ersten Eingang (91) für ein Sollwertsignal, welches eine gewünschte Temperatur des Dichtungsgehäuses anzeigt, und mit einem zweiten Eingang (93) für ein Eingangssignal, welches die tatsächliche Temperatur des Dichtungsgehäuses anzeigt; und (iii) eine Schaltung (97), die auf die Differenz zwischen den besagten Signalen reagiert, um die Funktion des besagten Schalters (88) zu steuern.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 7, die Folgendes umfasst: – mindestens zwei Temperaturfühler (74), die Signale liefern, welche die Temperaturen des Dichtungsgehäuses an den betreffenden unterschiedlichen Stellen anzeigen; und – eine Entscheidungsschaltung (94), die auf die besagten, von den mindestens zwei Temperaturfühlern (74) gelieferten Signale reagiert und ein Signal generiert, welches dem besagten zweiten Eingang (93) des besagten Controllers (90) zugeführt wird.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei das besagte Dichtungsgehäuse (24) eine Labyrinthdichtung (30) trägt.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 9 wobei das besagte Dichtungsgehäuse (24) zusätzlich eine Bürstendichtung (34) trägt.