EP2271827B1

EP2271827B1 - Turbomaschine mit schubausgleichskolben

Info

Publication number: EP2271827B1
Application number: EP09742020A
Authority: EP
Inventors: Walter Gehringer; Richard Geist
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: DE102008022966A1; WO2009135802A1; BRPI0912209A2; JP5086471B2; CN102016231B; RU2010150344A; EP2271827A1; ES2392322T3; RU2507399C2; CN102016231A; PL2271827T3; JP2011520063A; DE102008022966B4

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationsmaschine, insbesondere Turbine, Pumpe oder Verdichter, mit mindestens einem Rotor und mindestens einem Prozessfluid, das den Rotor zumindest teilweise umgibt, wobei der Rotor mindestens einen Ausgleichskolben aufweist, zur Beeinflussung eines axialen Schubes des Rotors, wobei der Ausgleichskolben mindestens eine Durchmesseränderung des Rotors aufweist, wobei mindestens eine Wellendichtung vorgesehen ist, die einen ersten Raum, in dem ein erster Druck herrscht von einem zweiten Raum, in dem ein zweiter Druck herrscht derart abdichtet, dass zumindest zeitweise eine Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Raum anliegt und eine erste Wellendichtung an dem Ausgleichskolben derart angeordnet ist, dass eine erste Durchmesseränderung den Druck des ersten Raums und eine zweite Durchmesseränderung den Druck des zweiten Raums ausgesetzt ist. In US 4615657 wird ein Beispiel einer Gasturbine mit Hochdruck- und Niederdruckausgleichs Kolben offenbart
Ausgleichskolben an Rotationsmaschinen gehören insbesondere bei Dampfturbinen zu den üblichen Baugruppen. In der Regel findet ein Druckaufbau oder ein Druckabbau des Prozessfluids entlang eines Entspannungs- oder Verdichtungsweges in zumindest teilweiser axialer Richtung des Rotors statt, wobei der Rotor selbst oder mit ihm verbundene Element in Bereichen sich ändernden Durchmessers, beispielsweise Wellenabsätzen, den jeweils unterschiedlichen anliegenden Drücken ausgesetzt sind. Auch rotierende Beschaufelungen erzeugen hierbei ebenso wie in Umfangsrichtung durchgehende Wellenabsätze einen axialen Schub, den diese Elemente als Axialkraft in den Rotor übertragen. Damit ein Axiallager unter diesen Betriebsbedingungen in einer sinnvollen Größe ausgelegt werden kann, ist es erforderlich, diese Kräfte durch entsprechende Gegenkräfte an anderer Stelle zu kompensieren. Zu diesem Zweck weisen beispielsweise Dampfturbinen in heutiger Bauart regelmäßig einen als Ausgleichskolben bezeichneten Wellenabsatz auf, der an seiner nach radial außen weisenden Umfangsfläche mit einer Wellendichtung versehen ist, die regelmäßig als Labyrinthdichtung ausgebildet ist, welche Wellendichtung einen ersten Druckraum von einem zweiten Druckraum unter Ausbildung eines Differenzdrucks trennt. Dem zur Folge liegt auf einer axialen Seite des Ausgleichskolbens ein anderer Druck als auf der anderen axialen Seite an, so dass bei entsprechender Auslegung der Durchmesser und Raumdrücke der Rotor mit einer Axialkraft beaufschlagt werden kann, die dem sonstigen Axialschub bis auf ein Residuum, welches durch das Axiallager abgestützt wird, ausgleicht, so dass das Axiallager eine nur geringe Last aufzunehmen hat und der Rotor dennoch stets in einer axial bestimmten Lage durch die verbleibende Restkraft gedrückt wird.
Gegebenenfalls kann unter Bezug auf den jeweiligen Betriebspunkt eine Regelung den Druck derart in den Druckräumen einstellen, so dass sich der gewünschte Restschub stets ausbildet.
Häufig lässt sich der beschriebene Ausgleichseffekt nur erzielen, wenn entweder die Drücke an dem Ausgleichskolben eine besonders hohe Differenz aufweisen oder der Ausgleichskolbendurchmesser sehr groß ausgelegt wird. Bei besonders hohen Differenzdrücken benötigt die an dem Ausgleichskolben vorgesehene Wellendichtung hinreichend großen axialen Bauraum, um den erforderlichen Dichteffekt zu erzielen. Sowohl große Durchmesser als auch großer axialer Bauraum verursachen einerseits unerwünschte rotordynamische Effekte in Form von Schwingungen und andererseits hohe Kosten aufgrund des zusätzlichen Materialbedarfs sowohl für den Rotor als auch für die umliegenden Komponenten, insbesondere für die Gehäuse. Daneben sind die Folgekosten für die Aufstellung, den Transport und die Lagerung der groß zu dimensionierenden Bauteile signifikant.
Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, eine Rotationsmaschine mit einem Ausgleichskolben der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass bei gleicher Schubkompensation ein nur reduzierter Bauraum erforderlich ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Rotationsmaschine mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen vorgeschlagen. Die rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.
Die Ausbildung des Ausgleichskolbens mit mehreren Räumen, die jeweils durch Wellendichtungen voneinander unter Ausbildung einer Druckdifferenz getrennt sind und welche Räume von mindestens einer Durchmesseränderung des Rotors begrenzt werden, ermöglicht die Verringerung des Durchmessers des Ausgleichskolbens ohne das Schubausgleichspotential zu verringern. Auch kann durch die erfindungsgemäß mehrstufige Ausbildung des Ausgleichskolbens (wenn eine Stufe eines Ausgleichskolbens als eine Anordnung von einer Wellendichtung, einem Raum mit einem bestimmten Druck und einer diesen Raum begrenzenden Durchmesseränderung des Rotors definiert wird) der erforderliche Druck pro Stufe des Ausgleichskolbens geringer gewählt werden, so dass die Anforderungen an die entsprechende Wellendichtung reduziert sind und diese gegebenenfalls mit einer geringeren axialen Abmessung ausgebildet sein kann.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ausgleichskolben als eine direkte Folge von Durchmesseränderungen am Rotor ausgebildet ist, die bezeichnet in einer Längserstreckung des Rotors mit folgender Reihenfolge ausgebildet ist:

eine erste Durchmesseraufweitung,
eine erste Durchmesserverringerung,
eine zweite Durchmesseraufweitung,
eine zweite Durchmesserverringerung,
wobei zwischen
der ersten Durchmesseraufweitung und der ersten Durchmesserverringerung,
der ersten Durchmesserverringerung und der zweiten Durchmesseraufweitung,
der zweiten Durchmesseraufweitung und der zweiten Durchmesserverringerung,
jeweils eine Wellendichtung zwischen einer jeweils stehenden Wand und dem Rotor vorgesehen ist, so dass
ein erster Druckraum die erste Durchmesseraufweitung als eine Begrenzungswand aufweist,
ein zweiter Druckraum die erste Durchmesserverringerung als eine Begrenzungswand aufweist,
ein dritter Druckraum die zweite Durchmesseraufweitung als eine Begrenzungswand aufweist und
ein vierter Druckraum die zweite Durchmesserverringerung als eine Begrenzungswand aufweist.

Unter der direkten Folge (Direktheit) ist das Fehlen einer Zwischenanordnung von anderen Modulen, wie zum Beispiel Beschaufelungsabschnitten zu verstehen.
Wird eine Anordnung aus einem Druckraum, einer Durchmesserveränderung, die eine Begrenzungswand für den Druckraum ist und einer Wellendichtung als eine Stufe des Ausgleichskolbens verstanden, so handelt es sich bei dieser vorteilhaften Weiterbildung um eine vierstufige Anordnung, welche bei gleichen größten und kleinsten Durchmessern der jeweiligen Stufen das doppelte Schubausgleichspotential haben kann, wie ein herkömmlicher Ausgleichskolben.
Eine erfindungsgemäße Anordnung kann je nach auszugleichendem Differenzdruck auch mehr als vier der oben definierten Stufen aufweisen, beispielsweise 5, 6, oder mehr.
Damit ein Ausgleichskolben nach der Erfindung auch bei hohen Druckdifferenzen pro Stufe keinen großen axialen Bauraum benötigt, ist es zweckmäßig, wenn die Wellendichtungen zwischen den Druckräumen jeweils als eine Bürstendichtung oder eine Gleitringdichtung ausgebildet sind. Diese Dichtungsformen weisen gegenüber herkömmlichen Labyrinthdichtungen einen besseren Dichtungseffekt auf, so dass über eine geringere axiale Ausdehnung höhere Druckdifferenzen abgebaut werden können und demzufolge erfindungsgemäße Ausgleichskolben sowohl radial als auch axial einen nur geringen Bauraumbedarf aufweisen.
Besonders sinnvoll ist die Ausbildung von Druckkanälen zu den jeweiligen Druckräumen, so dass die für den Ausgleich erforderlichen Differenzdrücke durch eine Einstellung eines bestimmten Drucks in den Druckräumen herstellen lassen.
Um eine Anpassung des Schubausgleichs an verschiedene Betriebsbedingungen zu ermöglichen, kann es zusätzlich sinnvoll sein, mindestens ein Stellorgan bzw. ein Ventil in mindestens einem Druckkanal vorzusehen, mittels dessen der Druck in dem verbundenen Druckraum einstellbar ist. In Folge der permanenten Leckage über die entsprechende Wellendichtung des Druckraums ermöglicht das Stellorgan eine dynamische Druckregulierung, die bevorzugt in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebspunkt von einer zentralen Regelung veranlasst wird.
In der Herstellung ergeben sich besondere Einsparpotentiale aufgrund der Erfindung, wenn mindestens zwei Wellendichtungen an dem Ausgleichskolben baugleich ausgebildet sind. Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäß stufenweise Ausbildung des Ausgleichskolbens die Benutzung baugleicher Wellendichtungen für unterschiedliche Turbinen, insbesondere, wenn eine Variation der Stufenzahl des Ausgleichskolbens in ihrer Differenz des Schubausgleichs genau dem Schubunterschied der entsprechenden Rotationsmaschinentypen entspricht.
Im Folgenden ist die Erfindung unter Bezugnahme auf Zeichnungen anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf diese spezielle Ausbildung beschränkt, vielmehr ergeben sich für den Fachmann neben dem Beispiel andere Ausbildungsvarianten, die ebenfalls von der Erfindung Gebrauch machen. Es zeigen:

Figur 1: eine Dampfturbine als Beispiel einer erfindungsgemäßen Rotationsmaschine,
Figur 2: ein Detail X der Figur 1 mit einer herkömmlichen Ausbildung eines Ausgleichskolbens,
Figur 3: das Detail X der Figur 1 mit einer erfindungsgemäßen Ausbildung des Ausgleichskolbens,
Figur 4: eine schematische Darstellung eines Rotors herkömmlicher Ausbildung mit verschiedenen Durchmessern und dem Ausgleichskolben und
Figur 5: eine schematische Darstellung des Rotors mit erfindungsgemäßer Ausbildung des Ausgleichskolbens und verschiedenen Durchmessern.

Figur 1 zeigt eine Rotationsmaschine 1, nämlich eine Dampfturbine 2, in der eingespeister Frischdampf 3 beim Durchströmen einer Beschaufelung 4 auf Dampf 5 eines niedrigeren Druckniveaus im Bereich einer Abströmung 80 entspannt wird. Ein Rotor 6, an dem die Laufbeschaufelung 7 befestigt ist, erfährt in Folge der Dampfentspannung einen Axialschub 8. Zum Teil wird der Axialschub 8 an einem Axiallager 9 abgestützt.
Zur Reduktion der auf das Axiallager 9 wirkenden Axialkraft ist ein Ausgleichskolben 10 vorgesehen, der als Wellenabsatz an dem Rotor 6 ausgebildet ist.
Die Figuren 2 und 3 zeigen das Detail X mit dem Ausgleichskolben 10 in herkömmlicher Bauweise bzw. in erfindungsgemäßer Ausbildung.
Der in Figur 2 dargestellte Ausgleichskolben 10 in herkömmlicher Bauweise weist in axialer Richtung des Rotors 6 von links nach rechts bezeichnet einen ersten Druckraum 11, eine erste Durchmesseränderung 21, eine erste Wellendichtung 31, einen zweiten Druckraum 12 mit einer zweiten Durchmesseränderung 22 auf. Axial vor dieser beschriebenen Anordnung befindet sich eine Wellenlabyrinthdichtung 82, mittels derer der erste Druckraum 11 zur Atmosphäre 51 abgedichtet ist. Axial hinter der als Ausgleichskolben 10 beschriebenen Anordnung, bzw. seitens des ins Turbineninnere weisenden Endes dieser Anordnung befindet sich eine weitere Wellenlabyrinthdichtung 52, mittels welcher der zweite Druckraum 12 zu einer Einströmung 54 hin abgedichtet ist. Diese Wellenlabyrinthdichtung kann dem Ausgleichskolben 10 zugerechnet werden. Der im zweiten Druckraum 22 anliegende Druck ist höher, als der in dem ersten Druckraum 11, so dass sich der aus einer Kräftebilanz des Ausgleichskolbens ergebende Schub gegen den Schub aus der Beschaufelung 4 richtet.
Figur 3 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 2 bzw. das Detail X der Figur 1 mit einer erfindungsgemäßen Ausbildung des Ausgleichskolbens 10. Der Ausgleichskolben 10 ist hierbei mit vier Druckräumen 11, 12, 13, 14 ausgebildet, die jeweils eine Wellendichtung 31, 32, 33 zu Abtrennung untereinander aufweisen und von mindestens einer Durchmesseränderung 21, 22, 23, 24 des Rotors 6 teilweise begrenzt werden.
Die Wellendichtungen 31, 32, 33 sind als Bürstendichtungen ausgebildet, so dass für eine zur herkömmlichen Bauweise (Fig. 2) äquivalenten Druckdifferenz zwischen den Druckräumen 11, 12, 13, 14 ein nur geringer axialer Bauraum aufzuwenden ist. Der zweite Druckraum 12 und der dritte Druckraum 13 stehen mit Druckkanälen 42, 43 in Verbindung, so dass der zweite Druckraum 12 einen höheren Druck aufweist als der dritte Druckraum 13. Vorliegend ist der in dem ersten Druckraum 11 und in dem dritten Druckraum 13 anliegende Druck sowie der im zweiten Druckraum 12 und im vierten Druckraum 14 anliegende Druck identisch. Aufgrund der Lässigkeiten der Wellendichtungen 31 - 33 ergibt sich jeweils eine Strömung gemäß der eingezeichneten Pfeile 61 - 66 aufgrund der Druckdifferenzen zwischen den einzelnen Druckräumen gespeist von den Druckkanälen 42, 43.
Die Figuren 4 und 5 zeigen die an dem Rotor 6 vorgesehenen Durchmesser in Verbindung mit verschiedenen Drücken in dem Druckräumen 11 - 14 im Zusammenwirken mit Wellendichtungen 31 - 33. In der Figur 4 ist der erste Druckraum 11 über einen Druckkanal 71 mit der Abströmung verbunden und der zweite Druckraum 12 mittels eines Druckkanals 72 mit einem höheren Druckniveau in der Beschaufelung 4.
Figur 5 zeigt, dass zusätzlich zu dem ersten Druckraum 11 und dem zweiten Druckraum 12 ein dritter Druckraum 13 und ein vierter Druckraum 14 ebenfalls mit dem Druckniveaus an der Abströmung 80 bzw. der Beschaufelung 4 verbunden sind und auf dieser Weise der doppelte Effekt der Schubkompensation erzielt werden kann. Da ansonsten bei gleicher Ausbildung der Dampfturbine 2 würde der Durchmesser des Ausgleichskolbens 10 bei der erfindungsgemäßen Ausbildung nach Figur 5 geringer ausfallen.
Optional kann in dem Druckkanal 71 ist ein Stellorgan 100 bzw. Ventil vorgesehen werden, mittels dessen der Druck in den Druckräumen 12, 13, 14 an die aktuellen Betriebsbedingungen angepasst werden kann. Das Stellorgan wird gesteuert von einer zentralen Regelung 101.

Claims

Rotationsmaschine (1), insbesondere Turbine, Pumpe oder Verdichter, mit
mindestens einem Rotor (6) und mindestens einem Prozessfluid (3), das den Rotor (6) zumindest teilweise umgibt,
wobei der Rotor (6) mindestens einen Ausgleichskolben (10) aufweist, zur Beeinflussung eines axialen Schubes, wobei der Ausgleichskolben (10) mindestens eine Durchmesseränderung (21,22,23,24) des Rotors (6) aufweist,
wobei mindestens eine Wellendichtung (31,32,33) vorgesehen ist, die einen ersten Raum (11), in dem ein erster Druck herrscht von einem zweiten Druckraum (12), in dem ein zweiter Druck herrscht derart abdichtet, dass zumindest zeitweise eine Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druckraum (11,12) anliegt, wobei eine erste Wellendichtung (31) an dem Ausgleichskolben (10) derart angeordnet ist, dass eine erste Durchmesseränderung (21) den Druck des ersten Druckraums (11) und eine zweite Durchmesseränderung (22) den Druck des zweiten Druckraums (12) ausgesetzt ist, wobei der Ausgleichskolben (10) einen dritten Druckraum (13) mit einem dritten Druck umfasst und eine zweite Wellendichtung (32) derart angeordnet ist, dass eine dritte Durchmesseränderung (23) dem Druck des dritten Druckraums (13) ausgesetzt ist, wobei der Ausgleichskolben (10) einen vierten Druckraum (14) mit einem vierten Druck umfasst und eine vierte Durchmesseränderung (24) dem Druck des vierten Druckraums (14) ausgesetzt ist, wobei der vierte Druckraum (14) mittels einer dritten Wellendichtung (33) von dem dritten Druckraum (13) abgetrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckraum (11) und der dritte Druckraum mittels eines ersten Druckkanals (71) mit einem ersten Druckniveau an einer Abströmung (80) der Rotationsmaschine (1) verbunden sind, so dass der in dem ersten Druckraum (11) anliegende Druck und der in dem dritten Druckraum anliegende Druck identisch sind, und
- wobei der zweite Druckraum (12) und der vierte Druckraum (14) mittels eines zweiten Druckkanals (72) mit einem zweiten Druckniveau an einer Beschaufelung (4) der Rotationsmaschine (1) verbunden sind, so dass der in dem zweiten Druckraum (12) anliegende Druck und der in dem vierten Druckraum (14) anliegende Druck identisch sind.
Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 1,
wobei der Ausgleichskolben (10) als eine direkte Folge von Durchmesseränderungen (21-24) am Rotor (6) ausgebildet ist, die bezeichnet in einer Längserstreckung des Rotors (6) mit folgender Reihenfolge ausgebildet ist:
- eine erste Durchmesseraufweitung (21),

- eine erste Durchmesserverringerung (22),

- eine zweite Durchmesseraufweitung (23),

- eine zweite Durchmesserverringerung (24),
wobei zwischen
- der ersten Durchmesseraufweitung und der ersten Durchmesserverringerung,

- der ersten Durchmesserverringerung und der zweiten Durchmesseraufweitung,

- der zweiten Durchmesseraufweitung und der zweiten Durchmesserverringerung,
jeweils eine Wellendichtung (31-33) zwischen einer jeweils stehenden Wand und dem Rotor (6) vorgesehen ist, so dass
- ein erster Druckraum (11) die erste Durchmesseraufweitung als eine Begrenzungswand aufweist,

- ein zweiter Druckraum (12) die erste Durchmesserverringerung als eine Begrenzungswand aufweist,

- ein dritter Druckraum (13) die zweite Durchmesseraufweitung als eine Begrenzungswand aufweist und

- ein vierter Druckraum (14) die zweite Durchmesserverringerung als eine Begrenzungswand aufweist.
Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei mindestens eine an dem Ausgleichskolben (10) vorgesehene Wellendichtung (31-33) als Bürstendichtung ausgebildet ist.
Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei mindestens eine an dem Ausgleichskolben (10) vorgesehene Wellendichtung (31-33) als Gleitringdichtung ausgebildet ist.
Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
wobei Druckkanäle (42,43,71,72) zu den Druckräumen (11,12,13,14) vorgesehen sind.
Rotationsmaschine (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei mindestens ein Stellorgan (100) in mindestens einem Druckkanal (71,72) vorgesehen ist, mittels dessen der Druck in dem angebundenen Druckraum (11-14) einstellbar ist.
Rotationsmaschine (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei mindestens zwei Wellendichtungen (31-33) baugleich ausgebildet sind.