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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung in einer
Turbomaschine, insbesondere in einer Dampfturbinenmaschine.
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In
Dampfturbinenmaschinen werden Dichtungen an Stellen eingesetzt,
an denen eine Fläche eines
sich drehenden Körpers
einer Maschine (Rotor) einer Fläche
eines stationären
Teils der Maschine (Stator) gegenüberliegt. Dichtungen werden
zur Einschränkung
des Fluiddurchlasses aus einem Raum mit relativ hohem Druck in einen
Raum mit relativ niedrigem Druck verwendet.
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Dichtungen
für Dampfturbinenmaschinen
lagen in der Vergangenheit in Form so genannter „Labyrinth"-Dichtungen vor. Eine in einem Strömungsweg
zwischen einem Rotor und einem Stator gebildete Labyrinthdichtung
umfasst eine oder mehrere Ausbildungen an Flächen des Rotors und/oder des
Stators, um der Fluidströmung
im Strömungsweg
Hindernisse entgegenzustellen. Diese Hindernisse verengen die Querschnittsfläche des
Strömungswegs, so
dass das Fluid dazu gezwungen wird, zu beschleunigen und somit dann
einen relativ niedrigen Druck aufzuweisen, und dann sehr schnell
zu verzögern,
wenn es durch die Labyrinthdichtung strömt. Diese schnelle Verzögerung des
Fluids bei seinem Austritt aus der Verengung bewirkt eine unkontrollierte
Entspannung des Fluids, wodurch Energieverluste entstehen, die dahingehend
wirken, die Fluidströmung
stromaufwärts
zu behindern. Es ist jedoch weithin bekannt, dass Labyrinthdichtungen
nur zum Teil effektiv sind, und es sind Verbesserungen daran erwünscht.
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Zur
Bereitstellung einer verbesserten Leistung sind Bürstendichtungen
eingeführt
worden, um statt oder neben Labyrinthdichtungen zu wirken. Eine Bürstendichtung
umfasst eine Trägerplatte,
in die sehr viele biegsame Draht- oder Faserfilamente eingebettet
sind. Des Weiteren wirkt eine Bürstendichtung
dahingehend, einen gewundenen Weg für das Durchströmen von
Gas oder einem anderen Fluid durch die Dichtungen bereitzustellen.
Im Betrieb ist eine Bürstendichtung
im Hinblick auf das Beibehalten eines Druckabfalls zwischen zwei
Räumen
in einer Turbomaschine um ca. 90% effektiver als eine Labyrinthdichtung.
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Deshalb
stellen Bürstendichtungen
unter gewissen Umständen
eine effektive Dichtung in Turbomaschinen bereit, in denen der Spalt
zwischen dem Rotor und dem Stator in einem Größenbereich von 1 mm liegt.
In Gasturbinen kann der Spalt zwischen den Rotor- und den Statorbauteilen
jedoch stark variieren. Insbesondere können thermische, gyroskopische
und andere mechanische Wirkungen zu einer Änderung des Spalts zwischen
dem Rotor und dem Stator führen,
und Bürstendichtungen
haben sich zur Bewältigung
dieses Problems als effektiv erwiesen.
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Es
ist beobachtet worden, dass der maximale Druckabfall, den die Dichtung
aufnehmen kann, umgekehrt proportional zum Quadrat des Spalts ist. Somit
würde eine
Dichtung mit den gleichen Borsten wie die oben beschriebene Dichtung
durch Vergrößern des
Spalts auf zum Beispiel 3 mm lediglich in der Lage sein, einem maximalen
Druckabfall von einem Neuntel dessen aufzunehmen, was die oben beschriebene
Dichtung bei dem 1 mm-Spalt aufnehmen kann.
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Die
Erfahrung hat gezeigt, dass die Ausführung einer für solche
Spalte geeigneten Bürstendichtung
Fasern erfordern würde,
die so dick und fest sind, dass ihre Nachgiebigkeit stark eingeschränkt wäre. Dadurch
würde die
Gefahr einer Beschädigung der
Bürste
und von Verschleiß in
der Turbomaschine entstehen. Somit ist das Erfordernis entstanden,
eine Dichtung zu konzipieren, die dieses Problem überwinden
kann.
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Bei
Dampfturbinen liegen jedoch andere technische Probleme vor, die
von größerer Bedeutung
sind, als die oben beschriebenen Probleme betreffend den Betrieb
von Gasturbinen. Allerdings treten die obigen Probleme nicht bei
Dampfturbinen auf. Dampfturbinen sind im Allgemeinen viel größer als Gasturbinen
und arbeiten vergleichsweise bei niedrigeren Temperaturen. Des Weiteren
können
Drehgeschwindigkeiten von Rotoren in Dampfturbinen geringer sein
als in einer Gasturbine.
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Aus
diesen Gründen
werden Dampfturbinen gegenüber
Gasturbinen als unter kontrollierteren Bedingungen arbeitend wahrgenommen.
Aufgrund dieser weniger extremen Bedingungen ist der Spalt zwischen
Rotor und Stator nicht sehr variabel. Die Wärmedehnung sich bewegender
Teile in einer Dampfturbine ist wahrscheinlich von geringerer Bedeutung und
gyroskopische Wirkungen sind wahrscheinlich stark verringert. Unter
diesen Umständen
reicht in der Regel ein Zwischenraum von 1 mm zwischen dem Rotor
und dem Stator aus, und man kann sich in der Regel darauf verlassen,
dass er zumindest in dem Maße
relativ konstant bleibt, in dem der direkte Kontakt (Kontakt der
Rotor- und Statorflächen
selbst) realistisch als keine Gefahr darstellend angenommen werden
kann.
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Andererseits
sind in Dampfturbinen auftretende Druckabfälle oftmals wesentlich größer als
in der Gasturbinentechnologie. Zum Beispiel kann ein typischer Druck
in einem Hochdruckzylinder einer Dampfturbine bis zu 200 bar betragen,
während
der Austrittsdruck in einem Bereich von 80 bar liegt. In der Vergangenheit
sind Labyrinthdichtungen dazu verwendet worden, diesen großen Druckabfall
zu kontrollieren. Es versteht sich jedoch, dass die durch solch
ein Labyrinth bereitgestellte Strömungsweglänge groß sein muss, um eine wesentliche
Verengung des Strömungswegs
zu liefern, und dies trägt
wesentlich zur Axiallänge
einer Turbomaschine bei. Dadurch könnten sich die Abmessungen
der Maschine im Verhältnis
zu ihrem Zweck wesentlich vergrößern, und
dies könnte
sich auf die Positionierung anderer Maschinen auswirken, mit denen
die Turbomaschine bei der Installation verbunden werden sollte.
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Bürstendichtungen
sind insofern als mögliche
Lösungen
dieses Problems präsentiert
worden, als sie solch einen Druckabfall über eine kürzere Axiallänge als
eine Labyrinthdichtung kontrollieren können. Es hat sich in der Praxis
jedoch herausgestellt, dass Bürstendichtungen
in Dampfturbinenanwendungen unangebracht sind. Insbesondere hat
sich herausgestellt, dass Bürstendichtungen
in Situationen unangebracht sind, in denen Hochdruckdampf und starke
Wirbel angetroffen werden. Die kinetische Wirbelenergie kann eine
deutliche Störung
der Bürstenelemente
der Bürstendichtung
verursachen, was zu einem Versagen der Dichtung führen kann.
Des Weiteren kann das Verwirbeln des Eintrittsdampfes im Laufe der
Zeit zu einer ermüdungsbedingten
Beschädigung
der Filamente der Bürste
führen.
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Darüber hinaus
kann Hochdruckdampf, wie er in Dampfturbinen angetroffen wird, viele
partikelförmige
Stoffe, wie zum Beispiel Ablagerungen vom Inneren der zur Dampferzeugung
verwendeten Kesselvorrichtung, befördern. Solche partikelförmigen Stoffe
können
auf die Bürstendichtung
aufprallen und so zu einer wesentlichen Beschädigung der Bürstenfilamente
führen.
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Somit
wäre es
wünschenswert,
eine Dichtung für
eine Dampfturbinenmaschine bereitstellen zu können, die unter Wirbeleintrittsbedingungen
arbeiten kann und bei der die Gefahr einer Beschädigung der Dichtung durch im
Dampf mitgeführte
Teilchen reduziert ist.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der Erfindung umfasst eine Dampfturbinenmaschine einen
Stator und einen bezüglich
des Stators drehbaren Rotor, wobei einander gegenüberliegende
Umfangsflächen des
Stators und Rotors zwischen sich mehrere Spalte definieren, die
eine Strömungsverbindung
ermöglichen
können,
wobei die Spalte durch Dichtungsanordnungen abgedichtet sind und
mindestens eine der Dichtungsanordnungen eine Blattdichtung ist.
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Durch
Verwendung einer Blattdichtung in einer Dampfturbine anstatt einer
Labyrinthdichtung oder einer Bürstendichtung
können
Probleme, die zuvor bei Verwendung einer Labyrinthdichtung (wie zum
Beispiel die äußerst große Länge solch
einer Labyrinthdichtung) oder einer Bürstendichtung (Anfälligkeit
für Beschädigung durch
Wirbel und im Dampf mitgeführte
Teilchen) auftraten, reduziert werden.
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In
der Dichtungsumgebung eines Ausgleichskolbens können extreme Druckdifferenzen zwischen
dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich auftreten. Selbst
bei Verwendung einer Blattdichtung kann es schwierig sein, ein Dichtungsmittel
so auszubilden, dass es den für
einen effektiven Betrieb einer Dampfturbine erforderlichen Druckabfall
aufrechterhält.
Deshalb ist schon seit langem erkannt worden, dass das Anordnen
von zwei oder mehr Dichtungen in Reihe ein effektiver Weg sein kann,
eine geeignete Dichtung zu erzeugen.
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Es
hat sich jedoch herausgestellt, dass in Reihe angeordnete Bürstendichtungen
weniger effektiv sind als erwartet, da die Dampfströmung durch die
erste Dichtung unvorhersagbare Strömungseffekte im Raum zwischen
den beiden Dichtungen erzeugt, wodurch die Dichtwirkung der zweiten
Dichtung beeinflusst wird. Dies kann sich abträglich auf die Leistungsfähigkeit
und die Funktion der in Reihe angeordneten Bürstendichtungen auswirken.
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In
der Vergangenheit ist dieses Problem durch den Einbau von Labyrinthdichtungen
zwischen den in Reihe angeordneten Bürstendichtungen gelöst worden.
Wie oben erwähnt,
können
Labyrinthdichtungen die Kompaktheit einer Dichtungsanordnung beeinträchtigen,
was sich negativ auf die effektive Anordnung von Turbomaschinen
in einer Anlage auswirken kann. Des Weiteren kann der Einbau einer Labyrinthdich tung
manchmal den Aufbau eines Dichtungssystems beeinträchtigen.
Dies hat zu einer Beeinträchtigung
des Grades an Kompaktheit einer Dichtungsanordnung mit zwei oder
mehr in Reihe angeordneten Bürstendichtungen
geführt.
Somit ist es wünschenswert
eine Dichtungsanordnung bereitzustellen, die diese Probleme angeht,
so dass die Dichtwirksamkeit ohne Beeinträchtigung der Maschinenkompaktheit
verbessert werden kann.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der Erfindung definiert eine mit einem Dampfstrom
angetriebene Turbomaschine einen Bereich mit einem relativ hohen
Druck und einen Bereich mit einem relativ niedrigen Druck, welche
Bereiche durch einen Strömungsweg
zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Bauteilen der Turbomaschine
sowie durch eine Dichtungsanordnung getrennt sind, die dahingehend wirkt,
den Dampfdurchgang im Strömungsweg
zu begrenzen, wobei die Dichtungsanordnung eine Reihe von Blattdichtungen
umfasst.
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Eine überraschende
Auswirkung der Bereitstellung von Blattdichtungen in Reihe besteht
darin, dass Labyrinthdichtungen zur Stabilisierung von Strömungsmustern
zur Aufrechterhaltung der Dichtungsleistungsfähigkeit nicht mehr erforderlich
sind.
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Weitere
Gesichtspunkte der Erfindung, ihre Vorteile und durch sie gelöste Probleme
gehen aus der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen hervor; darin
zeigen:
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1 einen
Axialquerschnitt durch eine Dampfturbine gemäß einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung;
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2 einen
Axialquerschnitt durch eine Dichtungsanordnung in der Dampfturbine
nach 1;
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3 einen
Querschnitt durch eine mit A-A bezeichnete Linie in 2;
und
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4 einen
Querschnitt einer Dichtungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung in ähnlicher
Ausrichtung wie die in 2 dargestellte.
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1 zeigt
eine Dampfturbine mit einer im Wesentlichen bekannten Ausführung, die
aber mit Dichtungen gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist. Somit umfasst die Turbine 10 ein
zylindrisches Gehäuse 12 und
einen Rotor 14, der einen Ausgleichskolben 16 und Drehzapfen 18, 20 an
einem stromaufwärtigen
bzw. stromabwärtigen
Ende enthält.
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Eine
zylindrische Außenfläche 22 des
Rotors 14 und eine Innenfläche 24 des Gehäuses 12 definieren
eine Turbinenkammer 26. Die Turbinenkammer ist so definiert,
dass sie gemäß üblicher
Turbinendesignpraxis am stromaufwärtigen Ende radial schmaler
ist als am stromabwärtigen
Ende.
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Von
der Rotorfläche 22 und
der Gehäusefläche 24 ragen
eine Reihe von Laufschaufeln 30 bzw. Leitschaufeln 32 hervor.
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Im
Gehäuse 12 ist
ein Einlassverteiler 34 in Strömungsverbindung mit dem stromaufwärtigen Ende
der Turbinenkammer 26 definiert. Wie in 1 gezeigt,
empfängt
die Turbine 10 im Betrieb eine Dampfströmung durch diesen Einlassverteiler 34 mit einem
Druck von bis zu 200 bar. Im Gehäuse 12 ist ein
Auslasssammler 36 in Strömungsverbindung mit dem stromabwärtigen Ende
der Turbinenkammer 26 definiert. Im Betrieb verlässt Abdampf
die Turbine 10 durch den Auslasssammler 36, wie
in 1 dargestellt.
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Stromaufwärtige Endstopfbuchsen 40 sind um
den Umfang des stromaufwärtigen
Enddrehzapfens 18 angeordnet, um ein Entweichen von Eintrittsgas
aus dem zwischen dem Drehzapfen 18 und dem Gehäuse 12 gebildeten
Spalt zu verhindern. Ausgleichskolbendichtungen 42 sind
um den Umfang des Ausgleichskolbens 16 angeordnet, um die
Gasströmung
durch den zwischen dem Ausgleichskolben 16 und dem Gehäuse 12 definierten
Spalt zu begrenzen. Die Ausgleichskolbendichtungen 42 können im
Betrieb einen Druckabfall von bis zu 120 bar erfahren. Dies ist
darauf zurückzuführen, dass
der durch den Einlass 34 eingeführte Hochdruckeingangsdampf
mit einem Druck von bis zu 200 bar eingeleitet werden kann, während der
Druck im Auslasssammler 36 (mit dem der Ausgleichskolben
in Strömungsverbindung
steht, um dem Rotor Ausgleichsschub bereitzustellen) in einem Größenbereich
von 80 bar liegen kann. In den Spalten zwischen den Spitzen der
Laufschaufeln 30 und der Innenfläche 24 des Gehäuses 12 sind
Laufschaufeldichtungen 44 vorgesehen. Entsprechende Leitschaufeldichtungen 46 sind
zwischen den Spitzen der Leitschaufeln 32 und der Außenfläche 22 des
Rotors 14 vorgesehen. Durch die Anordnung der Laufschaufeldichtungen 44 und
der Leit schaufeldichtungen 46 wird die Gasströmung an
den Spitzen der Schaufeln 30, 32 begrenzt, wodurch
die Tendenz des Dampfes, in der Turbinenkammer 26 an den
Reaktionsflächen
der Turbinenschaufeln vorbei gedrückt zu werden und dadurch dem
Rotor 14 Drehmoment zu liefern, erhöht wird.
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2 zeigt
eine Ausgleichskolbendichtung 42, die ein Stützgehäuse 50 von
im Wesentlichen ringförmiger
Ausführung
umfasst, das an der Innenfläche 24 des
Gehäuses 12 angebracht
ist. Das Stützgehäuse 50 definiert
einen Kanal, in den mehrere Blätter 52 geladen
sind. Die Blätter 52 sind
allgemein rechteckig und erstrecken sich in Längsrichtung des Kanals und
somit radial zum Ausgleichskolben 16. Sich lateral erstreckende
Ansätze 54 entsprechen
gegenüberliegenden
Flächen 56 des
Stützgehäuses 50,
um zu bewirken, dass die Blätter 52 im Kanal
festgehalten werden. Die von den Halteansätzen 54 weg gerichteten
Enden der Blätter 52 erstrecken
sich in Längsrichtung
von dem Stützgehäuse 50 und
ragen über
die radiale Erstreckung des Stützgehäuses 50 hinaus.
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3 zeigt
die Blätter 52 bezüglich der Drehrichtung
des Ausgleichskolbens 16 ausführlicher. Die Blätter 52 sind
schindelförmig
angeordnet, so dass sie sich an die Fläche des Ausgleichskolbens 16 anlegen,
wenn er sich vorbeibewegt. Erwartungsgemäß stellt die Nachgiebigkeit
der Blätter 52 eine Rückstellkraft
bereit, um die erwünschte
Dichtungswirkung zu realisieren, wenn die Dichtungsblätter 52 an
der Fläche
des Ausgleichskolbens 16 anliegen.
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Es
hat sich herausgestellt, dass eine Blattdichtung in dieser Form
einen Druckabfall von 120 bar, wie er in der Position eines Ausgleichskolbens
in einer Dampfturbine auftritt, aufrechterhalten kann. Des Weiteren
versteht sich, dass ähnliche
Blattdichtungen an der Stelle der Einlassstopfbuchsendichtung 40,
der Auslassstopfbuchsendichtung 48 und für die Lauf-
und Leitschaufeldichtungen 44, 46 angeordnet werden
können.
Des Weiteren ist die Formsteifigkeit der Blätter 52 einer Bürstendichtung ähnlicher
Größe überlegen
und kann somit dem Aufprall eines wirbelnden Eintrittsgases standhalten.
Darüber hinaus
sind die Blätter 52 weniger
anfällig
für Beschädigung infolge
eines Aufpralls von im Eintrittsdampf mitgeführten Teilchen.
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4 zeigt
eine Dichtungsanordnung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Diese gezeigte Dichtungsanordnung ist für die Zwecke
dieses Beispiels eine Ausgleichskolbendichtung 42.
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Zwei
axial beabstandete, parallele Lagerkolbenblattdichtungen 42 sind
am Turbinengehäuse 12 angeordnet
und von diesem ausgehend nach innen gerichtet, um den Ausgleichskolben 16 abdichtend
in Eingriff zu nehmen. Zwischen den beiden Blattdichtungen 42 sind
keine Labyrintheinrichtungen vorgesehen. Die beiden Blattdichtungen
wirken zusammen zur Bereitstellung einer ausreichenden Trennung zwischen
einem stromaufwärtigen
Bereich und einem stromabwärtigen
Bereich in der Turbine, wodurch die für einen effektiven Betrieb
der Turbine 10 erforderliche Dichtung bewirkt wird.
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Durch
derartiges Anordnen der Blattdichtungen können bisherige Probleme hinsichtlich
der Leistungsfähigkeit
von in Reihe betriebenen Bürstendichtungen,
im Zusammenhang mit der zusätzlichen
Axiallänge,
die eine Maschine aufweisen müsste,
in der zwei Bürstendichtungen
in Reihe angeordnet wären, und
im Zusammenhang mit Labyrinthdichtungen vermieden werden.
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Bei
beiden der oben beschriebenen Ausführungsformen wäre es wünschenswert,
vorzusehen, dass die Blattdichtungen 42 vom Gehäuse 12 trennbar
anzuordnen, um verschlissene Blätter 52 der Blattdichtungen
von Zeit zu Zeit austauschen zu können.
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Es
versteht sich, dass die vorliegende Erfindung in ihrer Anwendung
nicht auf Dampfturbinen beschränkt
ist. Die vorliegende Erfindung könnte
auch in anderen Maschinen, in denen ähnliche Temperatur- und Druckbedingungen
entstehen, implementiert werden. Im Wesentlichen befasst sich die
vorliegende Erfindung mit Problemen, betreffend die Abdichtung eines
zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Teilen einer Maschine
begrenzten Strömungsweges,
welche Maschine Laufgeschwindigkeiten aufweist, die denen einer
Dampfturbine vergleichbar sind, wobei die Dichtung eine Dampfströmung zwischen
einem Bereich mit einem hohen Druck (einem Druck, der an einem Einlass
einer Dampfturbine auftreten könnte)
und einem Bereich mit einem niedrigen Druck (einem Druck, der an
einem Abdampfauslass einer Dampfturbine auftreten könnte) begrenzt.
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Des
Weiteren versteht sich, dass auch andere Modifikationen und Adaptationen,
die technische Wirkungen zusätzlich
zu der technischen Wirkung der vorliegenden Erfindung bereitstellen,
in einer Dampfturbinenmaschine vorgesehen werden können.
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Gemäß der Offenbarung
des US-Patentes
US 4436311A kann
die Dichtungsanordnung zum Beispiel an radial beweglichen Segmenten
um den Rotor herum angebracht werden, wobei die Segmente durch um
den Umfang ausgerichtete Federn auseinander gedrückt werden, um für einen
größeren Spalt
zwischen Rotor und Stator bei geringen Drehzahlen und niedrigem
Druck zu sorgen, um einen direkten Kontakt, der während einer
Anfahrphase einer Turbine auftritt, zu vermeiden. Wie in der Schrift
beschrieben, ist die Turbine besonders während des Anfahrens für einen
direkten Kontakt anfällig,
da der Turbinenrotor während
seiner Drehbeschleunigung Geschwindigkeiten durchlaufen kann, bei
denen eine Eigenfrequenz des Rotors angetroffen wird. Dies kann
zu Vibrationen des Rotors und folglich zur Gefahr eines Kollidierens
mit einem zu nahe am Rotor angeordneten Statorbauteil führen.
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Nachdem
der Rotor eine Antriebsgeschwindigkeit erreicht hat, wird Hochdruckdampf
in die Turbine eingeleitet. Die Segmente der Dichtungsanordnung
sind so angeordnet, dass die durch den Dampf an die Segmente der
Dichtungsanordnungen angelegte Reaktionskraft dahingehend wirkt,
die Segmente in eine Dichtungsposition am Rotor zu drücken. Eine
Radialbewegung der Segmente zum Rotor kann durch eine Aufnahmeausbildung
bezüglich
des Turbinengehäuses
begrenzt werden, um zu verhindern, dass die Dichtungsanordnungssegmente
mit dem Rotor kollidieren.