DE541079C - Dampfturbine mit selbsttaetig wirkendem Ausgleichkolben fuer den Axialschub - Google Patents

Description

Labyrinthdichtungen an Dampfturbinen werden vielfach in bekannter Weise mit axial gerichteten Streifen ausgeführt, um die Dichtung von radialen Dehnungen der Welle durch Fliehkräfte und Wärme unabhängig zu machen. Die Güte einer solchen Dichtung hängt von der Größe des axialen Spaltes zwischen festen und beweglichen Teilen ab. Dieser Abstand wird grundsätzlich durch ein Axiallager bestimmt, das die axiale Lage der Welle gegenüber dem festen Teil festlegt. Da es in einer Dampfturbine bei verschiedenen Betriebszuständen große Temperaturunterschiede zwischen Welle und Gehäuse geben kann, muß das axiale Dichtungsspiel so groß sein, daß bei allen Dehnungsunterschieden kein axiales Streifen in den Dichtungen auftreten kann. Wegen dieser axialen Wärmedehnung entstehen bei großen Maschinen oder bei hohen Temperaturen unerwünscht große Axialspiele und entsprechende Dampfverluste.

Dies trifft insbesondere für die Ausgleichkolben

zu, die in Überdruckturbinen zum Ausgleich des Axialschubes der Beschallung enthalten sind.

Es ist bekannt, diese Verluste dadurch zu verringern, daß man durch einen selbsttätigen Druckausgleich die Welle bei jedem Erwärmungszustand möglichst nahe an diese Dichtungen bringt, wobei die axiale Lage der Welle nicht mehr vom Drucklager, sondern von den durch die Dichtung selbst beeinflußten Drücken auf die Welle oder den Dichtungskolben bestimmt wird. In diesem Falle muß das Drucklager die durch den Ausgleich und die Dichtung bestimmten Bewegungen zulassen und höchstens die Endlagen der Welle begrenzen, um ein Streifen zu verhüten. Die Durchführung dieser Aufgabe bietet aber erhebliche Schwierigkeiten, verursacht durch die Dehnungsunterschiede zwischen Welle und Gehäuse sowie durch Pendelungen, die an der Welle in axialer Richtung auftreten können, wie im nachfolgenden näher erläutert sei.

In Abb. ι bedeutet α den Läufer und b das Gehäuse der Turbine; c ist beispielsweise ein Ausgleichkolben zum Ausgleich des auf die Beschauflung der Welle α wirkenden Axialschubes, d sind die Dichtungen am Ausgleichkolben, die in Abb. 2 mit dem zugehörigen Kolbenteil in vergrößertem Maßstab dargestellt sind. Der Dampf strömt durch die Dichtungsspalte zwisehen den Dichtungszacken d und den Wellenkämmen e hindurch und durch die Rohrleitung f in eine tiefere Stufe der Turbine oder zum Kondensator. In dieser Leitung ist ein Regelorgang· (Ventil oder Blende) eingesetzt, das den Durchfluß der Dampfmenge zu regeln gestattet.

Dieser Ausgleich wirkt in folgender Weise selbsttätig: Besteht eine unausgeglichene Kraft in der Richtung der Dampfströmung, so verschiebt sich die Welle gegen die Dichtungsstreifen, ζ. B. aus der ausgezogenen Stellung der Abb. 2 in die gestrichelte Stellung. Dadurch werden die Spalten kleiner, die Menge des Undichtheitsdampfes nimmt ab, und der Druck im Raum h hinter dem Ausgleichkolben sinkt, bis die Axialkraft ausgeglichen ist. Bei einer unausgeglichenen Kraft in entgegengesetzter Rieh-

tung öffnen sich die Dichtungen, der Druck im Raum h nimmt zu, weil der Abfluß des Dampfes durch das Ventil g gedrosselt ist, und das Gleichgewicht wird wieder hergestellt. Dieser Druckausgleich kann nur wirken, solange ein Druckgefälle in der Turbine vorhanden ist, d. h. sofern die Turbine eine bestimmte Belastung hat. Im Leerlauf, wo praktisch die ganze Turbine unter Vakuum steht, sind die ίο Ausgleichkräfte so gering, daß die Welle axial nicht mehr gehalten ist und durch Zufälligkeiten irgendeine Lage einnehmen kann. Das Drucklager sollte nun so eingestellt werden, daß trotz Fehlens der Axialeinstellung durch die Druckkräfte die Wellenkämme e nicht auf die Dichtungen d auflaufen. Hier entstehen nun infolge der verschiedenen Wärmedehnungen von Welle und Gehäuse, wie bereits erwähnt, erhebliche Schwierigkeiten.

Im kalten Zustand wird z. B. das Drucklager i so eingestellt, daß bei Anliegen des Wellenkammes k, d. h. Spiel O bei I, das Spiel in der Labyrinthdichtung zwischen e und d ebenfalls klein ist, aber doch so groß, daß ein Streifen der Dichtungen nicht möglich ist. Im Betrieb wird nun die Welle etwas länger als der Zylinder. Die Druckkräfte an der Welle halten nun das Spiel in der Dichtung zwischen e und d weiter klein, z. B. Y₁₀ mm, so daß der Kamm k des Drucklagers wegen der verlängerten Welle nach links geht und bei I Spiel entsteht. Die Maschine läuft so mit vollständig entlastetem Drucklager. Stellt man nun die Maschine ab, so fallen plötzlich die richtunggebenden Druckkräfte weg und die Welle kann nach rechts laufen und wird dann die Dichtungen abschleifen, bis der Kamm k im Drucklager wieder anliegt. Fährt man die Maschine das nächste Mal mit den abgeschliffenen Dichtungen wieder an, so ist das Spiel zwischen e und d um den Unterschied der Wellendehnungen zu groß. (Es ist auch denkbar, daß man dieses große Spiel durch entsprechende Stellung des Drucklagers i von Anfang an eingestellt hätte.) Dieses große Spiel hat aber zur Folge, daß der Druck im Raum h groß wird und die Wirkung des Kolbens und damit der Ausgleich der Maschine dahinfällt. Eine Verschiebung der Welle zur selbsttätigen Aufhebung des Axial-Schubes ist nicht möglich, weil der Kamm k im Drucklager anliegt und eine Verschiebung der Welle verhindert. Das Drucklager wird nun den vollen Schub aufnehmen müssen, soweit der Ausgleich durch zu großes Spiel in den Dichtungen gestört ist. Das Drucklager wird sich unter diesem großen Druck abnutzen, und die Welle wird sich nach rechts bewegen, bis die Spiele in der Dichtung wieder abnehmen und der selbsttätige Ausgleich wieder hergestellt ist. Nun ist aber der Zustand der Maschine wieder wie am Anfang, und es wird beim nächsten Abstellen wieder ein Abschleifen der Dichtungen und beim nächsten Betrieb wieder eine Abnutzung des Drucklagers eintreten usw.

Eine andere Schwierigkeit beruht darin, daß die Welle im Betrieb, sofern sie, wie gewollt, vom Kammlager nicht gehalten ist, in axiale Pendelungen gerät, wobei starke axiale Stöße entstehen und die Gefahr des Streifens der Dichtungen besteht. Diese Pendelungen rühren davon her, daß bei einer Verschiebung der Welle, z. B. nach links, der Gegendruck im Raum h nicht sofort entsteht, weil dieser Raum zuerst aufgefüllt werden muß. Inzwischen erhält die Welle eine axiale Geschwindigkeit und läuft infolge der Massenwirkung weiter, als dem Gleichgewichtszustand entspricht. Hierauf wird die Welle wieder zurückgestoßen und geht auch nach der anderen Seite über die Gleichgewichtslage hinaus, weil sich der RaumÄ nicht rasch genug entleeren kann.

Die beiden obengenannten Schwierigkeiten werden gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß die Welle durch äußere Kräfte, z. B. mittels Federn, Gewichte oder Öldruckkolben, von den Dichtungen weggeschoben wird, um ein Streifen zu verhüten, sobald die auf die Welle wirkenden Dampfdrücke bei kleiner Last der Turbine unter ein Maß gesunken sind, bei dem die Welle axial nicht mehr in bestimmter Lage gehalten würde.

Als Beispiel einer vorteilhaften Ausführung ist hier ein besonders ausgebildetes Drucklager gewählt. Das Streifen der Dichtungen bei Abwesenheit von richtenden Druckkräften bei Wärmedehnungen der Welle wird dadurch vermieden, daß die in sich geschlossene oder unterteilte Tragfläche m des Drucklagers i nicht fest ist, wie in Abb. 1 dargestellt, sondern axial verschiebbar, wie in Abb. 3 gezeichnet. Die hier diese Tragfläche bildenden Tragkörper t, im folgenden auch Abhebetragkörper genannt, sind durch starke Federn η abgestützt, die die Welle im gezeichneten Beispiel nach links, d. h. von den Dichtungsstreifen, wegdrücken, sobald z. B. bei kleiner Belastung die Druckkräfte, die auf den Ausgleichkolben c wirken, ungenügend geworden sind. Auf diese Weise wird die Maschine auch mit großem Spiel zwischen den Kämmene und den Dichtungsstreifen^ anlaufen. Erst bei einer gewissen Mindestbelastung, wenn der selbsttätige Ausgleich die Welle nach rechts drückt, werden die Federn η zusammengedrückt, bis die Spiele zwischen e und d richtig sind. Auf der anderen Seite des Drucklagers befindet sich ein Haltetragkörper 0 (einteilig oder mehrteilig), der verhindert, daß die Welle allzuweit nach links geht. Er steht so weit nach links, daß auch bei größter Dehnung der Welle noch ein Abheben von seiner Tragfläche und ein selbsttätiger Ausgleich möglich ist.

Bei Abstellen der Turbine, sobald die Drücke in der Turbine so klein geworden sind, daß die richtunggebenden Kräfte wegfallen und eine beliebige Stellung der Welle und ein Schleifen der Dichtungen zwischen & und d eintreten kann, wird die Welle durch eine äußere Kraft (Federnw) von den Dichtungen weggeschoben. Diese Bewegung durch die Federn geschieht entgegengesetzt der Bewegungsrichtung, welche durch

ίο die Abkühlung erfolgt. Diese Vergrößerung der Spiele durch eine äußere Kraft hat nichts zu tun mit einer Vergrößerung der Spiele durch Abkühlen und Verkürzen von Wellen innerhalb einer Stopfbüchse.

Axiale Pendelungen der Welle werden dadurch vermieden, daß die Bewegungen der Welle z. B. durch eine Öldämpfungsvorrichtung gedämpft werden. In Abb. 3 ist beispielsweise der Abhebetragkörper t als Dämpfungseinrichtung aus-

»o gebildet, indem er bei Bewegungen in axialer Richtung Öl aus dem Raum p verdrängen muß. Dabei ist zur Vervollkommnung der Dämpferwirkung ein Rückschlagventil q angebracht, durch welches Öl aus dem Raum r einströmen

»5 kann, wenn die Dichtungsfläche m sich nach links bewegt. Beim Rückgang dieser Tragkörper t schließt sich das Ventil q, so daß die volle Dämpfungskraft auf die Tragkörper wirkt. Zur Erhöhung der dämpfenden Wirkung kann auch auf der anderen Seite des Lagers statt des festen Haltetragkörpers 0 ein beweglicher Haltetragkörper s (ein- oder mehrteilig) nach Abb. 4 angeordnet werden, dessen Bewegungen ebenfalls in einem Ölraum^ gedämpft werden.

Dieser zweite Tragkörper wird z. B. durch Federn u dauernd an den Wellenkamm angedrückt. Seine Bewegung nach links ist so zu begrenzen, daß die Welle nie in unzulässiger Weise nach links geht. Es ist selbstverständlieh, daß die Federn η unter den Abhebetragkörpern wesentlich stärker sein müssen als die Federn u unter den Haltetragkörpern, damit die Welle trotzdem mit genügender Kraft von den Dichtungen d weggeschoben wird, wenn die richtunggebenden Dampfdrücke in der Turbine fehlen.

Im übrigen können sämtliche o'der einzelne Tragflächen nach Art der Segmentdrucklager ausgebildet sein.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Dampfturbine mit selbsttätig wirkendem Ausgleichkolben zur Ausgleichung eines axialen Schubes der Beschauflung, welcher Kolben sich durch die auf ihn wirkenden Drücke so nahe an die Dichtungen heranbewegt, bis die dadurch erzeugten Veränderungen des Druckes nach dem Kolben einen Ausgleich der Kräfte herbeiführen, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle durch äußere Kräfte, z. B. mittels Federn, Gewichte oder Öldruckkolben, von den Dichtungen weggeschoben wird, um ein Streifen zu verhüten, sobald die auf die Welle wirkenden Dampfdrücke bei kleiner Last der Turbine unter ein Maß gesunken sind, bei dem die Welle axial nicht mehr in bestimmter Lage gehalten würde.
2. 2. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Geltendmachung dieser äußeren Kräfte im Drucklager (i) der Turbine untergebracht sind.
3. 3. Dampfturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Tragfläche (m) des Drucklagers axial in beiden Richtungen verschiebbar angeordnet und durch einen Tragkörper, Abhebetragkörper (t), oder deren mehrere gebildet wird, auf die die äußeren Kräfte wirken. .
4. 4. Dampfturbine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die axial verschiebbaren Tragkörper (t, s) neben den die äußeren Kräfte ausübenden Vorrichtungen mit einer zusätzlichen Dämpfungseinrichtung versehen sind.
5. 5. Dampfturbine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aÜe Tragflächen des Drucklagers für Drücke in der einen und anderen Richtung axial verschiebbar eingerichtet und die betreffenden Tragkörper neben den die äußeren Kräfte ausübenden Vorrichtungen möglichst mit zusätzlichen Dämpfern versehen sind.
6. 6. Dampfturbine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung von Federn zur Abstützung der Tragkörper (t, s) auf beiden Seiten des Drucklagers die einen Federn (w), die die Welle von den Dichtungen wegschieben, wesentlich stärker sind als die entgegengesetzten Federn (u), wobei diese Bewegung eine Hubbegrenzung durch Begrenzung des Hubes der von den schwächeren Federn unterstützten Haltetragkörpern (s) erfährt, während die Hubmöglichkeit der von den stärkeren Federn unterstützten Abhebetragkörper (t) so groß ist, daß die Welle sich unter dem Einfluß der Dampfdruckkräfte stets so nahe an die Dichtungselemente (d) des Ausgleichkolbens bewegen kann, bis der Ausgleich der Kräfte erfolgt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen