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Dokumentenidentifikation DE19951570A1 03.05.2001
Titel Einrichtung zur Kompensierung des Axialschubs bei Turbomaschinen
Anmelder ABB Patent GmbH, 68309 Mannheim, DE
Erfinder Urlichs, Karl, Dr., 90482 Nürnberg, DE
Vertreter Dreiss, Fuhlendorf, Steimle & Becker, 70188 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 27.10.1999
DE-Aktenzeichen 19951570
Offenlegungstag 03.05.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2001
IPC-Hauptklasse F01D 3/04
Zusammenfassung Einrichtung zur Kompensierung des Axialschubes bei Turbomaschinen mit einem in einer Ausgleichskammer (6) angeordneten Ausgleichskolben (9), wenigstens einer zwischen einem Rotor (2) und einem Gehäuse (3) der Turbomaschine wirkenden Radialdichtung (7) und mit einem auf dem Rotor befestigten Laufrad (4), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Seitenfläche des Ausgleichskolbens (9) und dem Gehäuse (3) eine Axialdichtung (8) vorgesehen ist, deren Axialspaltweite analog der betriebsbedingten Axialverschiebung des Laufrades (4) variierbar ist und daß der Ausgleichskolben (9) mit dem in Abhängigkeit der Axialspaltbreite in der Ausgleichskammer (6) herrschenden Druck beaufschlagt ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kompensierung des Axialschubes bei Turbomaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mit einer derartigen allgemein bekannten Einrichtung sollen unter Einsatz eines Ausgleichskolbens die in einer Turbomaschine auftretenden Axialkräfte kompensiert werden. Derartige Axialkräfte treten sowohl bei Turbinen als auch bei Verdichtern auf. Zur Verbesserung des Kräfteausgleichs werden mehrere Ausgleichskolben in einer stufenweisen Anordnung vorgesehen. Das Verhalten einzelner Stufengruppen wird durch Vorgabe mehrere Ringflächen, die mit festen Druckrandbedingungen beaufschlagt sind, simuliert. Diese Druckrandbedingungen werden durch Ausgleichsleitungen aus den Stufengruppen hergestellt und das Stufenverhalten durch geeignete Dichtungen simuliert. Mit dieser aufwendigen Anordnung ist zwar ein Schubausgleich möglich. Es entsteht jedoch ein Mengenstromverlust an der Vielzahl von Ausgleichskolbendichtungen, der zu einem Wirkungsgradverlust der gesamten Turbomaschine von mehr als 2% führen kann.

Es stellt sich die Aufgabe, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die bei einfachen Aufbau eine möglichst vollständige Axialschubkompensation bringt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Danach ist zwischen einer Seitenfläche des Ausgleichskolbens und dem Gehäuse eine Axialdichtung vorgesehen, deren Axialspaltweite analog der betriebsbedingten Axialverschiebung des Laufrades variierbar ist. Der Axialkolben wird mit dem in Abhängigkeit der Axialspaltbreite in der Ausgleichskammer herrschenden Druck beaufschlagt.

Selbst eine geringfügige Axialverschiebung des Laufrades führt durch den ebenfalls mit dem Rotor verbundenen Ausgleichskolben zu einer Axialspaltweitenänderung. Die dadurch bewirkte Beeinflussung der Dichtwirkung der Axialdichtung verändert auch den auf die Kolbenfläche wirkenden Druck. Die gefundene Dichtungsanordnung führt zu einer automatisierten Druckregelung, bei der sich die axiale Lage des Laufrades selbsttätig einstellt und eine vollständige Kompensierung der Axialkraft des Laufrades mit der Axialkraft des Ausgleichskolbens stattfindet.

Der jeweilige Durchmesser von Axialdichtung und Radialdichtung ist in Abhängigkeit der funktionellen Durchmesser der Turbomaschine gewählt.

Bei richtiger Wahl dieser Parameter stellt sich bei extrem kleinem Axialspalt der Axialdichtung in der Ausgleichskammer nahezu der Vordruck der Turbomaschine ein, während bei sehr großem Spalt aufgrund einer Ausgleichsleitung der Enddruck der Turbomaschine in der Ausgleichskammer wirkt. Damit sind auch die extremen Werte der möglichen Schubkräfte abgedeckt.

Damit die Kompensierung aller möglichen Schubkräfte erfolgen kann, sind die Dichtwirkungen der Axial - und der Radialdichtung aufeinander abgestimmt.

Die Axialdichtung ist vorzugsweise als Gleitringdichtung oder als Bürstendichtung ausgebildet.

Die Verwendung einer Gleitring- oder Bürstendichtung ergibt eine steife Dichtungsanordnung, die nur zu geringen Verschiebungen des Laufrades führt.

Der Axialdichtung ist eine andere weitere Axialdichtung nebengeordnet, die mit einer größeren Basisspaltweite ausgestattet ist.

Diese nebengeordnete Dichtung dient als Sicherheitsdichtung. Sie kommt aufgrund Ihrer größeren Basisspaltweite erst zum Einsatz, wenn die Hauptdichtung versagt. Zur Absicherung instationärer Betriebszustände ist dem Rotor ein Axiallager zugeordnet. Anhand von Ausführungsbeispielen und der schematischen Zeichnungen Fig. 1 bis 5 wird die erfindungsgemäße Einrichtung beschrieben.

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teilbereich der Turbomaschine mit einer Dichtungsanordnung,

Fig. 2 einen Längsschnitt gemäß Fig. 1 mit einer anderen Dichtungsanordnung

Fig. 3 einen Teilausschnitt mit 2 radial angeordneten Axialdichtungen,

Fig. 4 einen Teilausschnitt mit 2 axial angeordneten Axialdichtungen und

Fig. 5 eine Anordnung gemäß Fig. 3 mit einem Axiallager.

Die Fig. 1 zeigt den Teilbereich einer Turbomaschine 1 mit einem Rotor 2 und einem Gehäuse 3. Mehrere mit dem Rotor 2 verbundene Leit- und Laufräder 4 werden von einem über einen Stutzen 5 zugeführtes Medium, das einen Vordruck p1 aufweist, durchströmt. Nach dem Durchströmen der Laufräder 4 weist das Medium einen Enddruck p2 auf. Ebenfalls mit dem Rotor 2 verbunden ist eine in einer Ausgleichskammer umlaufende Scheibe, die in Verbindung mit einer Radialdichtung 7 und einer Axiadichtung 8 einen Ausgleichskolben 9 bildet. Der Druck nach dem Ausgleichskolben 9 wird durch eine Ausgleichsleitung 10 in einen Raum 11 sichergestellt, der mit dem Enddruck p2 beaufschlagt ist. Die beispielsweise als Bürstendichtung ausgebildete Axialdichtung 8 ist auf einem mit dk bezeichneten vorgegebenen Durchmesser angeordnet und am Gehäuse 3 befestigt. Sie belässt eine als Axialspaltweite bezeichnete Spaltweite S zu einer Seitenfläche des Ausgleichskolbens 9, wobei die Spaltweite bei einer Schubbewegung der Laufräder 4 in Pfeilrichtung Fax um das Maß der Schubbewegung reduziert wird, da der Ausgleichskolben 9 die Schubbewegung mit ausführt. Durch Reduzierung der Spaltweite S erhöht sich der Druck in der Ausgleichskammer 6 nahezu auf den Vordruck p1. Erreicht die Spaltweite aufgrund eines geringen Axialschubes einen maximalen Wert, so wird aufgrund der Ausgleichsleitung in der Ausgleichskammer 6 sich ein Druck einstellen, der dem Enddruck p 2 gleichkommt. Die funktionellen Durchmesser der Turbomaschinen di und dm (innerer und mittlerer Durchmesser der Beschaufelung) sind dabei mit dk (Anordnungsdurchmesser der Axialdichtung) und dz (Anordnungsdurchmesser der Radialdichtung) so abgestimmt, daß alle Grenzbereiche der Anwendung erfaßt werden. Durch den absolut selbst regelnden Vorgang wird die Verschiebekraft des Laufweges ständig kompensiert, so daß das Kräftegleichgewicht auch bei schwankenden Axialschüben stets erhalten bleibt.

Die Fig. 2 zeigt einen Teilausschnitt des Gehäuses 3 mit dem Stator 5 für das unter einem Vordruck p 1 zugeführten Medium. Das Laufrad 4 mit dem mittleren Durchmesser dm seiner Beschaufelung wird von dem Medium durchströmt, was zu einem Axialschub in Pfeilrichtung Fax führt. Der Ausgleichskolben 9 ragt in die Ausgleichskammer 6, wobei zwischen seinem Außendurchmesser dz und dem Gehäuse 3 die Radialdichtung 7 vorgesehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Axialdichtung 8 als axial wirkende Gleitringdichtung ausgebildet, die aus ungeteilten Dichtungen besteht, die fluidgestützt aufeinander gleiten. Ein Gleitring 12 ist dem Gehäuse 3 und ein Gegenring 13 ist dem Ausgleichskolben 9 unter Bildung einer Spaltweite S zugeordnet. Bei richtiger Abstimmung der Axial- zur Radialdichtung hinsichtlich Ihrer Dichtwirkung lässt sich auch hier der zu Fig. 1 beschriebener Regelvorgang erzielen.

Der Ausschnitt nach Fig. 3 zeigt eine radial innen zwischen dem Ausgleichskolben 9 und dem Gehäuse 3 angeordnete Axialdichtung 8 mit einer Spaltweite S. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit ist radial außen eine als Sicherheitsdichtung wirkende weitere Axialdichtung 8a angeordnet, die mit Sa eine größere Spaltweite aufweist als die Axialdichtung 8. Die Axialdichtung 8a wird daher erst beim Versagen der Axialdichtung 8 zum Einsatz kommen. In der Fig. 4 sind die Axialdichtung 8 und 8a in axialer Richtung nebeneinander angeordnet, wobei die Axialdichtung 8a mit Ihrer größeren Spaltweite Sa erst dann zum Einsatz kommt, wenn die Axialdichtung 8 versagen sollte. Zur Überwachung der Funktion der Hauptdichtung 8 wird der Druck in der Kammer 9a gemessen und mit dem Enddruck verglichen.

Ein Ausschnitt der Ausbildung nach Fig. 1 ist in Fig. 5 dargestellt. In Weiterbildung zu Fig. 1 ist in Fig. 5 zur Absicherung instationärer Betriebsabläufe ein Axiallager 14 vorgesehen. Aufgrund der Abstände 15 und 16 ist das Axiallager einschließlich einer Einspritzschmierung so ausgelegt, daß es nur im Grenzbereich zum Einsatz kommt. Auf diese Weise werden die sonst üblichen Verluste dieses Lagers vermieden.


Anspruch[de]
  1. 1. Einrichtung zur Kompensierung des Axialschubes bei Turbomaschinen mit einem in einer Ausgleichskammer (6) angeordneten Ausgleichskolben (9), wenigstens einer zwischen einem Rotor (2) und einem Gehäuse (3) der Turbomaschine wirkenden Radialdichtung (7) und mit einem auf dem Rotor befestigten Laufrad (4), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Seitenfläche des Ausgleichskolbens (9) und dem Gehäuse (3) eine Axialdichtung (8) vorgesehen ist, deren Axialspaltweite (S) analog der betriebsbedingten Axialverschiebung des Laufrades (4) variierbar ist und daß der Ausgleichskolben (9) mit dem in Abhängigkeit der Axialspaltbreite in der Ausgleichskammer (6) herrschenden Druck beaufschlagt ist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Durchmesser (dk und dz) von Axialdichtung und Radialdichtung in Abhängigkeit der funktionellen Durchmesser (di und dz) der Turbomaschine gewählt ist
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtwirkungen der Axial (8) und der Radialdichtung (7) aufeinander abgestimmt sind.
  4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialdichtung (8) eine Gleitringdichtung ist.
  5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialdichtung (8) eine Bürstendichtung ist.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Axialdichtung (8) eine weitere Axialdichtung (8a) nebengeordnet ist, die mit einer größeren Basisspaltweite ausgestattet ist.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Absicherung instationären Betriebszustände dem Rotor (2) ein Axiallager (14) zugeordnet ist.






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