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Labyrinthscheibe für Kreiselmaschinen, insbesondere Dampf- oder Gasturbinen
Soll eine Labyrinthscheibe zum Ausgleich des Laufradschubes von Kreiselmaschinen,
insbesondere Dampf- oder Gasturbinen, einen bestimmten Gegenschub erzeugen, so ist
dieser Gegenschub eindeutig bestimmt, wenn die Abdichtung des Eintrittsdruckes in
das Labyrinth gegenüber dem Austrittsdruck aus dem Labyrinth auf praktisch einem
einzigen Durchmesser erfolgt, wenn also alle Labyrinthspalte auf etwa gleichem Durchmesser
in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Um Dichtungslänge zu sparen,
nimmt man häufig eine Verteilung der Labyrinthspalte auf verschiedene Durchmesser
vor, z. B. ordnet man die Labyrinthspalte in einer oder mehreren Radialebenen an.
Das Arbeitsmittel wirkt dann entsprechend dem sich in den Spalten einstellenden
Druckverlauf auf die einzelnen Labyrinthflächen zwischen den Spalten mit verschiedenen
Drücken; der von der Labyrinthscheibe ausgeübte Gegenschub ist damit von dem Druckverlauf
im Labyrinth abhängig geworden. An sich ist es möglich, den Druckverlauf beim Durchströmen
der Labyrinthspalte rechnerisch zu bestimmen, wenn das Verhältnis der Spaltquerschnitte
zueinander bekannt ist. Nun ist aber der Abnutzungsgrad nicht für alle Spalte bildenden
Schneiden gleich, insbesondere tritt bei hohen Temperaturen je nach den Spannungen
im Baustoff ein Kriechen auf. Da die Spannungen mit den Umfangsgeschwindigkeiten,
also mit den Durchmessern zunehmen, so ändern sich die größeren Durchmesser der
umlaufenden Teile fühlbar gegenüber den ruhenden Teilen. Schließlich können noch
Versalzungen und sonstige Verschmutzungen eine Rolle spielen. Alle diese Umstände
wirken zusammen auf eine Veränderung der Spaltbreiten und damit der Spaltquerschnitte
und des Druckverlaufs hin. Hinzukommt, daß der Druckverlauf sich bei Änderung des
Druckgefälles im Labyrinth nach anderen Gesetzen ändert wie in der Beschauflung.
Ist der Gegenschub des Labyrinthes bei Vollast etwa gleich dem auszugleichenden
Schaufelschub, so stimmen die Schübe bei Teillast und Überlast erfahrungsgemäß bei
üblicher Schaltung
nicht überein. Es ergibt sich so, daß die bei
verschiedener Belastung auftretenden Restschübe an sich schon das Drucklager wesentlich
belasten, so daß Änderungen des Gegenschubes infolge Abweichungen des Druckverlaufs
im Labyrinth vom errechneten Wert leicht zu Überlastungen des Drucklagers und zur
Zerstörung führen.
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Um diese Gefahren zu beseitigen oder wenigstens herabzumindern, wird
erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Scheibe Änderungen im verhältnismäßigen Druckabfall
von Dichtungsspalt zu Dichtungsspalt durch elastische Veränderung der Tragringdurchmesser
von die Spaltbreite bestimmenden Schneiden oder Flächen ausgleicht. Eine besonders
vorteilhafte Ausführung ist gekennzeichnet durch Anordnung von die Spaltbreite bestimmenden
Schneiden oder Flächen an sich unter Überdruck verwindenden und die Spaltbreite
im Sinne der Aufrechterhaltung des verhältnismäßigen Druckverlaufs verändernden
Ringen. Die Verwindung der Ringe bietet eine sehr einfache Möglichkeit zur elastischen
Veränderung der Tragringdurchmesser. Die gewünschte Spaltänderung, die vornehmlich
bei den großen, äußeren Durchmessern in fühlbarem Maße eintritt, kann in vorteilhafter
Weise dadurch unterstützt werden, daß an den Tragringen kleineren Durchmessers in
axialer Richtung abdichtende Schneiden oder Gegenflächen angeordnet sind, deren
Abstand von den zugehörigen Gegenflächen oder Schneiden der Gegenscheibe sich bei
Verwindung der äußeren Tragringe im entgegengesetzten Sinne wie deren Labyrinthspalte
ändert. Nach weiteren Erkenntnissen der Erfindung werden Veränderungen im Druckverlauf
des Labyrinthes am besten durch Vergleich mit dem Schub der auszugleichenden Beschauflung
ermittelt. Da der Eintritts- und Austrittsdruck anteilig den letzteren Schuh bestimmen,
geschieht dieser Vergleich am vorteilhaftesten dadurch, daß der Eintritts- und der
Austrittsdruck, jeder für sich, auf eine besondere Teilfläche der Labyrinthscheibenrückseite
Schübe ausüben, deren Summe dem vom Arbeitsmittel auf die Labyrinthseite bei dem
erwarteten Druckverlauf durch die Labyrinthspalte ausgeübten Gesamtschub etwa entspricht.
Auf diese Weise rufen Unterschiede des Gegenschubes vom Labyrinth gegenüber dem
Schub der auszugleichenden Beschauflung selbsttätig eine Durchbiegung der Laby rinthscheibe
und damit die gewünschte Verwindung der Tragringe für die Labyrinthe hervor, wenn
nur die Anordnung der Spalte entsprechend getroffen ist. Eine hohe Empfindlichkeit
dieser selbsttätigen Einstellung unter sicherer Vermeidung einer Überlastung wird
erzielt durch eine Bemessung von Labyrinthspalte oder -schneiden tragenden Ringen
der Scheibe, die bei Abdichtung allein durch den äußersten oder allein durch den
innersten Labyrinthspalt die höchstzulässige Beanspruchung oder Durchmesseränderung
derartiger Ringe ergibt. Hierbei wird zweckmäßig die Anordnung derartig getroffen,
daß die Aufnahme des auf der Labyrinthscheibe lastenden restlichen Gesamtdruckes
in der Nähe eines der Scheibenränder, dagegen die Abdichtung zwischen Eintritts-
und Austrittsdruck des Labyrinthes am Rücken der Scheibe auf einem mittleren Durchmesser
erfolgt. Die Abdichtung zwischen Eintritts- und Austrittsdruck des Labyrinthes geschieht
am besten durch eine ringförmige, elastische Welle mit halbkreisförmigem Querschnitt
des Umfanges, wobei ein zusätzlicher Reibungsschluß zwischen Labyrinthscheibe und
Gehäuse zur Abdämpfung von Schwingungen vorgesehen ist. Die halbkreisförmige Ausbildung
ergibt eine besonders nachgiebige Beweglichkeit in axialer Richtung, wenn der halbkreisförmige
Querschnitt wie eine Mondsichel in axialer Richtung offen ist, d. 1i. wenn der Halbkreis
durch radiale Zerlegung eines Vollkreises entstanden ist, also zwei umeinandergelagerte,
axial gerichtete Enden aufweist. Eine gegenseitige Verschiebung der Ränder des Halbkreises
ergibt dann eine Rollbewegung des Kreises, die nur - geringe Verformungsbeanspruchungen
hervorruft. Im übrigen widersteht der Halbkreis auf Grund des kleinen Durchmessers
leicht den höchsten Überdrücken bei wenigen Millimetern Wandstärke. Die hohe Nachgiebigkeit
bringt anderseits die Gefahr von Druckschwingungen mit sich, die aber durch Erzeugung
zusätzlicher Reibung leicht unterbunden werden können.
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Die Abbildungen zeigen eine erfindungsgemäß ausgebildete Labyrinthscheibe
am Beispiel einer radial beaufschlagten Dampfturbine. Die Abb. i stellt einen senkrechten
Schnitt durch den Hochdruckteil dar. Der Dampf tritt bei i ein, durchströmt den
axial beaufschlagten Kranz von Gleichdruckschaufeln 2 und dann nacheinander die
radial beaufschlagten Schaufelgruppen 3 bis 5. Die Beschauflung ist im Gehäuse 6
angeordnet, das durch den Deckel 7 abgeschlossen ist. Die Leitscheiben 8 und 9,
welche den ruhenden Teil der radial beaufschlagten Beschauflung tragen, sind im
Gehäuse 6 abgestützt, die Räder io und i i sitzen auf der Welle 12.
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Am Rade io sind am äußeren Teil Ringe 13 ausgestochen, «-elche
auswärts gerichtete, Dichtungsspalte bildende Nickelstreifen i I tragen. In Abb.
2 und 3 erscheinen die Einzelheiten in natürlichem :Maßstab. Der innere Teil des
Rades io trägt eine besonders eingestemmte
Scheibe 15 mit axial
gerichteten Nickelstreifen 16. Die ruhende Labyrinthscheibe 17 ist so ausgebildet,
daß am äußeren Teil ihre Ringe 18 mit den Nickelstreifen der Ringe 13 des Rades
io radial abdichtende Spalte bilden und daß die Nickelstreifen i9 des inneren Teiles
sich mit den Nickelstreifen i6 der Scheibe 15 des Rades i.o zur Bildung axialer
Spalte abwechseln.
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Die Labyrinthscheibe 17 ist am äußeren Umfang durch einen Bajonettverschluß
2o gegenüber dem Gehäusedeckel 7 in Achsrichtung festgelegt. Bohrungen 2r (Abb.
2) gestatten jedoch dem Dampf freien Durchtritt. Die Abdichtung zwischen Eintritts-
und Austrittsdruck des Labyrinthes erfolgt auf einem mittleren Durchmesser mittels
einer elastischen Welle 22 von halbkreisförmigem Umfangsquerschnitt. Diese Halbkreiswelle
22 ist mit einem Schenkel in den Rücken der Labyrinthscheibe 17 und mit dem anderen
Schenkel in einen Ring 23 eingestemmt. Der Ring 23 ist mit dem Gehäusedeckel 7 dicht
verschraubt. Die Halbkreiswelle 22 setzt infolge der abrollenden Bewegungsmöglichkeit
einer axialen Durchbiegung der Labyrinthscheibe 17 keinen fühlbaren Widerstand entgegen,
hält aber infolge der Halbkreisform höchsten Druckunterschieden Stand. Der Durchmesser
der Halbkreiswelle 22 ist so gewählt, daß der vom Eintritts- und Austrittsdruck
des Labyrinthes auf die Rückseite der Labyrinthscheibe ausgeübte Gesamtdruck dem
Gesamtdruck entspricht, der auf die Labyrinthfläche zum Ausgleich des Achsschubes
der auszugleichenden Beschauflung ausgeübt werden soll. Weicht der Gesamtdruck im
Labyrinth von diesem Sollwert, der sich bei Druckänderungen selbsttätig mit den
Drücken verstellt, ab, so biegt sich die Labyrinthscheibe 17 unter dem Unterschied
der Gesamtdrücke auf ihren beiden Seiten durch. Würden beispielsweise die Ringe
1-3 des Rades io durch Kriecherscheinungen wachsen, die Spiele im Außenteil des
Labyrinthes sich verengen und daher der Druck im Labyrinth schneller als vorgesehen
abfallen, so würde der Gesamtdruck auf die Labyrinthseiten des Rades io und der
Scheibe 17 abnehmen; der Schubausgleich wäre gestört. Da aber jetzt der Gesamtdruck
auf die Rückseite der Scheibe 17, der eindeutig durch Eintritts-und Austrittsdruck
des Labyrinthes bestimmt ist, größer ist als der verkleinerte Gesamtdruck auf der
Labyrinthseite, wird die Scheibe 17 infolge ihrer nachgiebigen Ausbildung zum Rad
hin durchgebogen. Damit stellen sich die Ringe 18 schräg und weiten die zu eng gewordenen
Dichtungsspalte im äußeren Labyrinthteil wieder auf. Hierdurch nähert sich aber
gleichzeitig der innere, axial abdichtende Labyrinthteil dem Rade, wodurch die Axialspalte
dieses Teiles verengt werden. Beide Spaltveränderungen wirken auf Wiederherstellung
des richtigen Druckverlaufes hin und stellen den Gleichgewichtszustand wieder her.
Die richtige Größe des Gesamtdruckes auf das Labyrinth wird also gleichsam ausgewogen.
Umgekehrt ist der Vorgang beispielsweise bei einer Versalzung der,inneren Spalte.
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Die Wanderungen der Welle im Drucklager unter einer Veränderung des
Schubausgleichs, die nach bekannten Vorschlägen zu einer selbsttätigen Anpassung
ausgenutzt werden, wirken auch hier in gleicher Richtung. Die betrieblich zulässige
Größenordnung dieser Wellenwanderungen von wenigen zehntel Millimetern ist aber
zu klein, um allein für die Lösung der Aufgabe auszureichen. Größeres axiales Spiel
im Drucklager führt neben dem Nachteil störender Verschiebung der Schaufeln zueinander
leicht zu Pendlungen. Bei der ruhenden Labyrinthscheibe können Pendelerscheinungen
dagegen durch dämpfende Maßnahmen unterbunden werden. Beim Ausführungsbeispiel-sind
Ansätze 2.4 an der Labyrinthscheibe 17 vorgesehen, die am Ring 23 reiben.