EP0042469A1

EP0042469A1 - Strömungsmaschine, insbesondere Heissgasturbine, bei der das Gehäuse höhenverstellbar gelagert ist zur selbsttätigen kontinuierlichen Beeinflussung des Labyrinthdichtungsspieles

Info

Publication number: EP0042469A1
Application number: EP81101816A
Authority: EP
Inventors: Edmund Owsianny
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1980-06-19
Filing date: 1981-03-12
Publication date: 1981-12-30
Also published as: ES8204053A1; JPS6325283Y2; DE3164373D1; ES503176A0; EP0042469B1; ATE8168T1; JPS6018203U; ES8204052A1; DE3022861C2; JPS5728808A; ES503177A0; US4405283A; DE3022861A1

Abstract

Strömungsmaschine, insbesondere Heißgasturbine, deren Maschinengehäuse (1) beidseitig mit einer Labyrinthdichtung gegenüber der Läuferwelle (3) versehen und im Bereich der ein- und austrittseitigen, mittels auf dem Fundament (2) angeordneter Lagerböcke (5) abgestützten Läuferwellenlager (4) unabhängig von diesen gegenüber der Läuferwelle (3) höhenverstellbar mittels sich auf hydraulischen Druckmittelpolstern (P) abstützender Traghülsen (7) gelagert ist, wobei die Druckmittelpolster (P) in zwischen den Traghülsen (7) und an den an Stehbolzen (6) mit Spiel geführten Stützhülsen (12) gebildeten Ringnuten (8, 9) angeordnet und die Stützhülsen (7) auf dem Fundament (2) mittels selbsteinstellenden, aus Kugelschale (13) und Kugelkopf (14) gebildeten sphärischen Lagern abgestützt sind. Die selbstättige kontinuierliche Beeinflussung des Labyrinthdichtungsspieles erfolgt mittels an den wärmeelastischen Labyrinthdichtungen (22) der Maschinen-Eintritts- und Austrittsseite angeordneter Meßfühler (21) gemessenen Dichtspaltveränderung "x" zwischen Läuferwelle (3) und Labyrinthdichtung (22), wobei der abgenommene Meßwert als Steuersignal zur Betätigung einer oder mehrerer Druckmittel-Zylinder-Kolbeneinheiten dient, durch welche den Druckmittelpolstern (P) Druckmittel zugeführt oder entnommen wird, so daß durch Anheben oder Absenken des Maschinengehäuses (1) gegenüber der Läuferwelle (3) der Labyrinthdichtungsspalt konstantgehalten wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsmaschine, insbesondere Heißgasturbine, deren Maschinengehäuse beidseitig mit einer gegenüber der Läuferwelle mittels eines Sperrmediums beaufschlagten Labyrinthdichtung ver_- sehen ist, und sie hat ferner ein Verfahren zur selbsttätigen kontinuierlichen Beeinflussung des Labyrinthdichtungsspieles zum Gegenstand.
Bei derartigen Maschinen treten hinsichtlich der Gehäuse- und Läuferwellenlagerung mehrere und verschiedenartige Probleme auf, und es hat nicht an zahlreichen Versuchen gefehlt, die bekannten Schwierigkeiten zu vermeiden oder ihnen abzuhelfen.
Bei eingehäusigen, mehr noch bei zwei- oder mehrgehäusigen Strömungsmaschinen, wie Turbinen oder Verdichtern, taucht bereits beim Ausrichten der Gehäuseteile bei der Montage die Aufgabe auf, eine Justierungsmöglichkeit für diese Teile zu schaffen, welche ein exaktes und einfaches Ausrichten ermöglicht.
Ein weiteres Problem bei derartigen Maschinen besteht auch darin, daß sich zuweilen Veränderungen in der Fundamentierung, beispielsweise durch Bodensetzungen ergeben, wodurch die genaue waagerechte Ausrichtung der Maschine bzw. der Maschinensätze beeinträchtigt werden kann. In diesen Fällen muß eine Nachricht erfolgen, welches häufig mit erheblichem technischen Aufwand verbunden ist.
Ein sehr schwerwiegendes Problem stellt die Sicherung einer genauen Zentrierung und Aufrechterhaltung der Spiele bei Wärmedehnungen der Maschine dar. Um ein Nachstellen von Gehäuseteilen zu ermöglichen, wird beispielsweise nach der DE-AS 12 89 535 vorgeschlagen, diese Teile gegeneinander mit Hilfe von Einstellschrauben und austauschbaren Beilagen veränderlicher Stärke abzustützen. Auch ein weiterer ähnlicher Vorschlag nach dem _DE-GM 71 24 691 bezieht sich auf dieses Problem und zeigt eine Anordnung von kugeligen Einstellkörpern in Verbindung mit höhenverstellbaren Tauchmuttern.
Das Problem des Ausrichtens, insbesondere von mehrgehäusigen Maschinensätzen dieser Art, liegt auch der DE-AS 23 25 642 zugrunde, bei der es darum geht, die relative Ausrichtung von Nutzleistungs-Turbinenrotor im Nutzleistungs-Turbinengehäuse zu erleichtern und zu verbessern. Es wird zu diesem Zweck eine Aufhängung der Turbine an zwei Drehzapfen und eine Abstützung des Gasgenerators an einer beweglichen Tragkonstruktion vorgeschlagen. Eine ähnliche Aufhängung zeigt auch die DE-OS 26 17 024. Dort ist das Gehäuse des Turbinenstators mittels radialgerichteter Bolzen an Flanschen des Außengehäuses des Triebwerks frei dehnbar aufgehängt.
Besondere Schwierigkeiten bringt die axiale Ausrichtung eines mehrgehäusigen bzw. mehrteiligen Maschinensatzes mit sich, beispielsweise einer Turbogruppe bestehend aus einer Helium-Hochtemperatur-Turbine mit einem Verdichter und einem Generator. Gemäß der DE-OS 27 17 617 wird vorgeschlagen, daß zwischen dem Fundament und der Turbogruppe höhenverstellbare und axialbewegliche Abstützungen angeordnet sind, welche an Pratzen seitlich der Turbogruppe angreifen und hydraulisch oder mechanisch höhenverstellbar sein sollten. Dabei sind für jedes Maschinengehäuse mindestens vier derartige höhenverstellbare Abstützungen vorgesehen. Mittels einer derartigen Anordnung ist es möglich, die Gehäuse von mehreren zu einer Turbogruppe gehörenden Maschinen axial auszurichten und auch diese Ausrichtung im Bedarfsfall nachzustellen. Abgesehen von den in den genannten Veröffentlichungen behandelten Schwierigkeiten der Ausrichtung solcher Strömungsmaschinen bei der Montage oder aber bei sich im Laufe der Betriebszeit einstellenden Fluchtungsfehlern sowie dem weiteren Problem, vor allem bei thermisch hoch belasteten Strömungsmaschinen, daß sich bei ungleichförmiger Wärmebelastung der Gehäuse- und Baugruppenteile Spannungen und unzulässige Änderungen der erforderlichen Spiele ergeben können, besteht auch noch weiterhin die Schwierigkeit, daß eine ausreichende Schwingungsdämpfung bei derartigen Maschinen, unter Berücksichtigung unterschiedlicher Betriebszustände, bei Anwendung der bekannten Lagerordnungen, oft nicht erreichbar ist.
Der Erfindung liegt daher zunächst die Aufgabe zugrunde, eine Ausbildungsweise der Lagerung für derartige Strömungsmaschinen, insbesondere Strömungsmaschinen, die thermisch hoch belastet sind, zu schaffen, die es gestattet, den oben geschilderten Problemen in befriedigender Weise zu begegnen. Die Erfindung bezieht sich daher auf eine solche Strömungsmaschine, insbesondere Heißgasturbine, deren Maschinengehäuse beidseitig mit einer mittels eines Sperrmediums beaufschlagten Labyrinthdichtung gegenüber der Läuferwelle versehen ist, und sie besteht darin, daß das Maschinengehäuse im Bereich der ein- und austrittseitigen mittels auf dem Fundament angeordneter Lagerböcke abgestützten Läuferwellenlager unabhängig von diesem auf volumenveränderlichen hydraulischen Druckmittelpolstern gegenüber der-Läuferwelle höhenverstellbar gelagert ist. Diese Lagerung des Maschinengehäuses auf volumenveränderlichen hydraulischen Druckmittelpolstern ermöglicht eine stufenlose Feinjustierung und Ausrichtung des Maschinengehäuses und wirkt außerdem hervorragenderweise schwingungsdämpfend. Ferner ist es dadurch möglich, die Maschinengehäuse-Lagerung den Formänderungen infolge der thermischen Belastung der Maschine anzupassen. Erfindungsgemäß ist ferner das Maschinengehäuse gegenüber dem Fundament über Traversen mittels sich auf hydraulischen Druckpolstern abstützender Traghülsen höhenverstellbar gelagert, wobei die Druckmittelpolster in zwischen den Traghülsen und den an Stehbolzen mit Spiel geführten Stützhülsen gebildeten Ringnuten angeordnet sind. Dabei sind die das Maschinengehäuse tragenden Hül_- sen höhenverschiebbar in rohrartigen Halterungen geführt, die mit geringem Spiel die Stehbolzen umgeben und die auf dem Lagerbock mittels selbsteinstellenden, aus Kugelschale und Kugelkopf gebildeten sphärischen Lagern abgestützt sind. Vorteilhafterweise sind zwischen jeder Stützhülse und der sie umgebenden, das Maschinengehäuse tragenden Hülse übereinanderliegend mindestens jeweils ein in einem abgedichtetem Ringraum eingeschlossenes hydraulisches Druckpolster angeordnet, der mit getrennten Zuführungs-und Ablaßleitungen für das Druckmittel versehen ist.
Durch diese Ausbildungs- und Anordnungsweise der hydraulischen Druckpolster kann insbesondere der weitere Vorteil erzielt werden, daß eine bessere Feineinstellung des Labyrinthdichtungsspieles möglich ist, und dadurch eine erhebliche Menge an Sperrmedium eingespart werden kann, welches bei einer Vergrößerung des Dichtungsspaltes wegen der notwendigen größeren Radialspiele der Stopfbüchsen erforderlich wäre.
Erfindungsgemäß wird weiterhin vorgeschlagen, daß auch die Lagerböcke der Läuferwelle gegenüber dem Fundament mittels volumenveränderlicher hydraulischer Druckpolster höhenverstellbar abgestützt sind. Durch diese Anordnung zusammen mit der hydraulischen Lagerung des Maschinengehäuses wird es ganz wesentlich erleichtert, diese Teile gegenseitig und in horizontaler Lager zu justieren und zusammen mit etwa vorhandenen weiteren Maschineneinheiten einer Turbogruppe auszurichten. Ferner wird die Schwingungsdämpfung sowohl für das Gehäuse als auch für den Turbinenläufer ganz erheblich verbessert. Die Turbine läuft ruhiger und das Fundament wird schwingungstechnisch entlastet. Auch bei Form- und Lageveränderungen des Fundamentes selbst kann durch die zweifache Einstellungsmöglichkeit der hydraulischen Druckpolsterlagerung ohne Schwierigkeiten stets die ideale Lage des Maschinengehäuses und des Turboläufers hergestellt werden.
Die weitere Erfindung hat ein Verfahren zur selbsttätigen kontinuierlichen Beeinflussung des Labyrinthdichtungsspieles einer derartigen Strömungsmaschine, insbesondere einer Heißdampfturbine zum Gegenstand, die mit der hydraulischen Druckpolsterlagerung nach den Merkmalen der Erfindung ausgestattet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß mittels an den wärmeelastischen Labyrinthdichtungen der Maschinen-Eintritts- und Austrittsseite angeordnete Meßfühler kontinuierlich die durch die jeweiligen Betriebszustände bewirkte Dichtungsspaltveränderung zwischen der Läuferwelle und der Labyrinthdichtung gemessen wird, und daß der abgenommene Meßwert als Steuersignal über eine Verstärkeranlage zur Betätigung eines oder mehrerer Druckmittel-Zylinder-Kolbeneinheiten dient, durch welche Druckmittelteilmengen den Druckmittelpolstern zugeführt oder abgelassen werden und damit durch Anheben oder-Senken des Maschinengehäuses gegenüber der Läuferwelle in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebszuständen der Labyrinthdichtungsspalt zentrisch und konstant gehalten wird.
Durch diese Verfahrensweise werden je nach Betriebszustand und dadurch bedingter thermischer Belastung der Maschine die sich ergebenden Formänderungen selbsttätig und kontinuierlich durch entsprechende Verstellung des Maschinengehäuses gegenüber der Läuferwelle so ausgeglichen, daß das erforderliche Labyrinthdichtungsspiel und damit die radialen Spiele der Stopfbüchsen sehr eng gehalten werden können, so daß sich erhebliche Einsparungen an Sperrmedium ergeben. Durch Meßfühler an den Labyrinthdichtungen der Ein- und Austrittsseite wird kontinuierlich die jeweilige Spaltveränderung zwischen dem Läufer und der Labyrinthdichtung gemessen. Der Meßwert wird über ein an sich bekanntes beliebiges Verstärkungssystem als Steuersignal für die Betätigung von Druckmittel-Zylinder-Kolbeneinheiten genutzt, um die Druckmittelpolster durch Zuführen oder Ablassen von Druckmittelteilmengen zu erhöhen oder abzusenken und damit eine Korrektur der Lage des Gehäuses kontinuierlich entsprechend der jeweiligen Betriebszustände zu bewirken. Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ausbildungs-und Anordnungsweise der Lagerung des Maschinengehäuses und auch der Lagerböcke für die Läuferwelle und ein Schaltschema für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Strömungsmaschine teils in-Seitenansicht, teils im Längsschnitt;
Fig. 2 eine Einzelheit bei C im Längsschnitt;
Fig. 3 eine Einzelheit bei D im Längsschnitt;
Fig. 4 ein Schnitt A - A' gem. Fig. 1;
Fig. 5 ein Schnitt B - B' gem. Fig. 4;
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung gem. der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Maschinengehäuse 1 einer Turbogruppe gezeigt, welches im oberen Teil als Längsschnitt und im unteren Teil als Längsansicht dargestellt ist. Ferner sind auch die eintrittsseitigen und austrittsseitigen Lagerstellen mit den Bezeichnungen I und II sowie eine Lagerstelle III des nachfolgenden Maschinengehäuses dargestellt.
In Fig. 1 ist die Läuferwelle mit 3 bezeichnet, während der angedeutete Läufer die Bezeichnung 24 trägt. Auf die Traverse 15 stützt sich - in nicht näher dargestellter Weise - das Maschinengehäuse 1 ab. Es sind ferner die Stopfbüchsen 23, die Meßfühler 21 und die Grundplatten 2 angedeutet. Mit 7 sind die hydraulischen Druckpolster-Abstützungssysteme bezeichnet, welche die Traversen und mit diesen das Maschinengehäuse 1 abstützen.
Die Besonderheiten der Lagerung des Maschinengehäuses 1 ergeben sich aus den Fig. 2 und 3, welche Einzelheiten bei C und D zeigen. Das Maschinengehäuse 1 stützt sich auf die Traverse 15 ab, welche (Fig. 4, 5) hydraulisch höhenverstellbar gegenüber dem Lagerbock 5 abgestützt sind. Die Läuferwelle 3 ist mittels den Labyrinthdichtungen 22 abgedichtet, deren Dichtspalt s bei allen Betriebszuständen der Maschine konstant gehalten werden soll. Um dies zu erreichen, ist erfindungsgemäß eine selbsttätig wirksame Labyrinthdichtungsspiel-Einstellung vorgesehen, bei welcher der Meßwert x durch jeweils einen Meßfühler 21 abgetastet wird, die an den Ein- und Austrittsseiten an der wärmeelastischen Labyrinthdichtung 22 angeordnet sind. Durch diese Meßfühler wird kontinuierlich die Spaltveränderung x zwischen dem Läufer und der Dichtung gemessen. Der abgenommene Meßwert x wird erfindungsgemäß mittels eines Übertragungssystems (Fig. 6) auf die hydraulische Abstützung in der Weise übertragen, daß zum Ausgleich von Spaltveränderungen den hydraulischen Druckmittelpolstern 8 (Fig. 5) weiteres Druckmittel zugeführt oder aber abgeführt wird.
Weitere Einzelheiten der Anordnung sind in Fig. 4 dargestellt. Auf dem Fundament 2 ist der Lagerbock 5 über in Zylindern eingeschlossene Druckmittelpolster P1 zur Schwingungsdämpfung abgestützt. Der Lagerbock 5 trägt das _Läuferwellenlager 4. Ferner sind auf dem Lagerbock 5 beidseitig des Läuferwellenlagers 2 Traversen 15 mittels der erfindungsgemäßen hydraulischen Druckmittelabstützung angeordnet, auf welche sich das nicht dargestellte Maschinengehäuse 1 abstützt. Die hydraulischen Druckmittelpolster-Abstützungen sind in Fig. 4 mit den Bezeichnungen 7 und 13, 14 angedeutet. Einzelheiten dieser Abstützungssysteme ergeben sich aus Fig. 5.
Jeder der aus Fig. 4 ersichtlichen Traversen 15 wird durch zwei hydraulische Druckpolster-Abstützungssysteme, wie in Fig. 5 dargestellt, gehalten. In die Traverse 15 ist mittels Gewinde 20 die Traghülse 7 eingeschraubt. Diese ist mittels des Deckels 7 a verschlossen und stützt sich über das im Ringraum 8 eingeschlossene Druckpolster P gegenüber der Stützhülse 12 ab. Der Ringraum 8 ist mittels der Dichtungen 18, 19 gegenüber der Stützhülse 12 abgedichtet. In den Ringraum 8 mündet eine Leitung 10, mittels welcher Drucköl zugeführt oder abgelassen werden kann.
Die Stützhülse 12 ist an dem Stehbolzen 6 geführt, welcher im Lagerbock 5 verschraubt ist. Über die auf dem Lagerbock 5 aufliegende Kugelschale 13 und den Kugelkopf 14 ist die Stützhülse 12 auf dem Lagerbock 5 selbsteinstellend abgestützt. Ferner ist ein Ringraum 9 vorgesehen, der mittels der Dichtung 17 gegenüber der Stützhülse 12 abgedichtet ist. Im Ringraum 9 sammelt sich gegebenenfalls aus dem Ringraum 8 zwischen der Traghülse 7 und der Stützhülse 12 durchtretendes Lecköl, welches über die Leitung 11 abgeführt wird.
In Fig. 6 ist als Beispiel eine elektro-hydraulische Schaltung zur Durchführung der selbsttätigen Dichtspaltgröße-Steuerung dargestellt. Das Maß x als Abweichung von einem eingestellten Sollwert wird durch die Meßfühler 21 eintritts- und austrittsseitig durch Abtasten der Läuferwelle 3 kontinuierlich gemessen und als Steuersignal über die Leitungen 25 an die Steuersignale verarbeitende Stellungsregler 26 gegeben. Von dort erfolgt über die Leitungen 33 und die elektrohydraulischen Wandler 27 die Steuerung der Zuführung oder Abführung von Drucköl über die Leitungen 10 zu den Ringräumen 8, welche die Druckmittelpolster P enthalten. Das Druckmittel wird im Ausführungsbeispiel von einer motorgetriebenen Druckmittelpumpe 29, 30 erzeugt und aus dem Vorratsbehälter 28 angesaugt und über die Leitungen 32 den elektrohydraulischen Wandlern 27 zugeführt und über die Leitungen 31 wieder an den Behälter 28 abgeführt.

Claims

1. Strömungsmaschine, insbesondere Heißgasturbine, deren Maschinengehäuse beidseitig mit einer mittels eines Sperrmediums beaufschlagten Labyrinthdichtung gegenüber der Läuferwelle versehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Maschinengehäuse (1) im Bereich der ein- und austrittseitigen mittels auf dem Fundament (2) angeordneten Lagerböcke (5) abgestützten Läuferwellenlager (4) unabhängig von diesen auf volumenveränderlichen hydraulischen Druckmittelpolstern (P) gegenüber der Läuferwelle (3) höhenverstellbar gelagert ist.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Maschinengehäuse (1) gegenüber dem Fundament (2) über Traversen (15) mittels sich auf hydraulischen Druckmittelpolstern (P) abstützender Traghülsen (7) höhenverstellbar gelagert ist, wobei die Druckmittelpolster (P) in zwischen-den Traghülsen (7) und den an Stehbolzen (6) mit Spiel geführten Stützhülsen (12) gebildeten Ringnuten (8) angeordnet sind.

3. Strömungsmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stützhülsen (12) auf dem Lagerbock (5) mittels selbsteinstellenden, aus Kugelschale (13) und Kugelkopf (14) gebildeten sphärischen Lagern abgestützt sind.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßfühler (21) über Steuersignalleitungen (25) mit einem jedem Meßfühler (21) zugeordneten Stellungsregler (26) in Verbindung stehen, der über Steuerleitungen (33) jeweils der Ein- und der Austrittsseite zugeordneter elektrohydraulische Wandler (27) steuert und dadurch die Zufuhr bzw. die Ableitung von Druckmittel über die Leitungen (10) zu bzw. aus den Ringräumen (8) der Druckmittelpolster-Abstützungen regelt, und daß als Druckmittelquelle zur Bereitstellung von Druckmittel mit stets gleichmäßiger und ausreichender Druckhöhe ein gasbelasteter Duckmittelspeicher oder ein Pumpenaggregat (29, 30) mit einer Nullhubregelung bzw. Druckbegrenzungsregelung dient.

4. Strömungsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen jeder Stützhülse (12) und der sie umgebenden, das Maschinengehäuse (1) über Traverse (15) tragenden Hülse (7) jeweils mindestens ein in einem abgedichteten Ringraum (8) eingeschlossenes hydraulisches Druckpolster (P) angeordnet ist, der mit getrennten Zuführungs- und Ablaßleitungen (10, 11) für das Druckmittel versehen ist.

5. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lagerböcke (5) der Läuferwelle (3) gegenüber dem Fundament (1) mittels volumenveränderlicher hydraulischer Druckpolster (P1) höheneinstellbar abgestützt sind.

6. Verfahren zur selbsttätigen kontinuierlichen Beeinflussung des Labyrinthdichtungsspiels einer Strömungsmaschine nach den Ansprühen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß mittels an den wärmeelastischen Labyrinthdichtungen der Maschinen-Eintritts- und Austrittsseite angeordnete Meßfühler (21) kontinuierlich die durch die jeweiligen Betriebszustände bewirkte Dichtungsspaltveränderung "x" zwischen der Läuferwelle (3) und der Labyrinthdichtung (22) gemessen wird, und daß der abgenommene Meßwert als Steuersignal über eine Verstärkeranlage zur Betätigung von Druckmittelteilmengen den Druckmittelpolstern (P) zugeführt oder aus ihnen abgelassen werden und damit durch Anheben oder Absenken des Maschinengehäuses (1) gegenüber der Läuferwelle (3) in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebszuständen der Labyrinthdichtungsspalt (x) zentrisch und konstant gehalten wird.