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Dokumentenidentifikation EP1224381 29.08.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 1224381
Titel EINRICHTUNG ZUR KOMPENSIERUNG DES AXIALSCHUBS BEI TURBOMASCHINEN
Anmelder ALSTOM Power Turbinen GmbH, 90461 Nürnberg, DE
Erfinder URLICHS, Karl, 90482 Nürnberg, DE
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 27.10.2000
EP-Aktenzeichen 009759473
WO-Anmeldetag 27.10.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/EP00/10619
WO-Veröffentlichungsnummer 0000131169
WO-Veröffentlichungsdatum 03.05.2001
EP-Offenlegungsdatum 24.07.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.08.2002
IPC-Hauptklasse F01D 3/04

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 Stufen der Dampfturbine wird dadurch berücksichtigt, dass mehrere Ringflächen vorgesehen sind, die mit den in den Stufen herrschenden entsprechenden Drücken beaufschlagt werden. Dazu werden Ausgleichsleitungen von den Stufengruppen benötigt und außerdem muß das Verhalten der Stufen durch geeignete Dichtungen nachgebildet werden. Mit dieser aufwendigen Anordnung ist zwar ein Schubausgleich möglich. Allerdings wird grundsätzlich noch ein konventionelles Axiallager benötigt.

Aus dem DE-GM 17 01 436 ist eine als Hilfseinrichtung ausgebildete Einrichtung zur Axialkraftkompensation bekannt, die zusätzlich zu einem Axiallager vorhanden ist. Im Normalbetrieb nimmt das Drucklager die Axialkräfte auf. Nur bei Überlastung des Drucklagers, d. h. bei großen Axialbewegungen des Turbinenrotors, wird die Einrichtung zur teilweisen Kompensation der Axialkräfte aktiviert.

Aus der DE C 541 079 ist eine Dampfturbine bekannt, bei der ein teilweiser Axialkraftausgleich mittels eines Ausgleichskolbens erreicht wird. Dabei wird ein von dem Ausgleichskolben, einer Axialdichtung und einer Radialdichtung begrenzter Raum mit einer tieferen Stufe oder dem Kondensator verbunden. Um Beschädigungen der Dichtungen vor allem im Leerlauf der Turbine und bei instationären Betriebszusttänden zu verhindern, ist eine Einrichtung erforderlich, die den Rotor der Dampfturbine durch äußere Kräfte von den Dichtungen wegschiebt.

Aus der für die gleiche Anmelderin eingereichten DE 44 22 594 A1 ist eine Kondensationsturbine mit mindesten zwei Gleitringdichtungen zur Abdichtung des Turbinengehäuses bekannt, bei der Spalt zwischen Gleitring und dem mit dem Rotor umlaufenden Gegenring unabhängig von der Wärmedehnung der Kondensationsturbine ist. Auftretende Längenänderungen werden dadurch ausgeglichen, dass der Gegenring federbelastet gegen den Gleitring gepresst wird. Deshalb können die Axialkräfte durch die aus der DE 44 22 594 bekannte Dichtungsanordnung nicht selbstätig ausgeregelt werden. Dies erfolgt über eine Ausgleichsleitung von der Abdampfseite der Kondensationsturbine zu dem von zwei Gleitringdichtungen und dem Ausgleichskolben begrenzten Raum. Außerdem benötigt diese Kondensationsturbine mindestens ein Axiallager zur Aufnahme der nicht kompensierten Axialschübe.

Aus der WO 99/30007 ist eine Turbine mit einem Ausgleichskolben bekannt, bei der eine Bürstendichtung am Ausgleichskolben vorgesehen ist.

Es stellt sich die Aufgabe, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die bei einfachen Aufbau und ohne nennenswerte Einbußen beim Wirkungsgrad der Turbomaschine eine möglichst vollständige Axialschubkompensation erlaubt.

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 Axialspaltweite in der Ausgleichskammer herrschenden Druck beaufschlagt. Die erfindungsgemäße Einrichtung erfordert nur einen von einer Axialdichtung, einer Radialdichtung, dem Gehäuse und dem Ausgleichskolben begrenzten Ringraum, einen von Rotor und Gehäuse begrenzten weiteren Raum und eine Ausgleichsleitung. Ein Axiallager ist nicht erforderlich. Trotz dieses einfachen Aufbaus findet bei allen Betriebszuständen der Turbomaschine eine vollständige Kompensation der Axialkräfte statt.

Selbst eine geringfügige Axialverschiebung des Laufrades führt durch den ebenfalls mit dem Rotor verbundenen Ausgleichskolben zu einer Änderung der Spaltweite in axialer Richtung. Die dadurch bewirkte Beeinflussung der Dichtwirkung der Axialdichtung verändert auch den auf die Kolbenfläche wirkenden Druck. Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung führt zu einer automatisierten Druckregelung auf dieser Fläche, bei der sich die axiale Lage des Laufrades selbsttätig einstellt und eine vollständige Kompensierung der Axialkräfte der Laufräder mit der Axialkraft des Ausgleichskolbens stattfindet. Für diesen selbstregelneden Schubausgleich ist es notwendig, eine Axialdichtung mit hervorragender Dichtwirkung einzusetzen, da sonst die axialen Bewegungen des Rotors zu groß sind.

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 Axialdichtung 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 Turbinenläufers 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 kann dem Rotor ein Axiallager zugeordnet sein, das aufgrund seiner Spaltweite nur bei extremem Öffnen der Dichtungskammer zu Einsatz kommt und im Normalbetrieb keine Axialkräfte überträgt und keine Reibungsverluste verurusacht.

Anhand von Ausführungsbeispielen und der schematischen Zeichnungen Figur 1 bis 5 wird die erfindungsgemäße Einrichtung beschrieben.

Dabei zeigen:

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 Figur 1 zeigt den Teilbereich einer Turbomaschine 1 mit einem Rotor 2 und einem Gehäuse 3. Zwischen dem Gehäuse 3 und dem Rotor 2 sind mehrere in Fig. 1 nicht dargestellte Leiträder und Laufräder in dem mit 4 gekennzeicheneten Bereich angeordnet. Die mit dem Gehäuse 3 verbundenen Leiträder und die mit dem Rotor 2 verbundenen Laufräder werden von einem über einen Stutzen 5 zugeführten Medium, das einen Vordruck p1 aufweist, durchströmt. Nach dem Durchströmen der Laufräder 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 S bei einer Schubbewegung der Laufräder und des Rotors 2 in Pfeilrichtung Fax um das Maß der Schubbewegung reduziert wird, da der Ausgleichskolben 9 die Schubbewegung mit ausführt. Da die Axialdichtung 8 sehr "steif" ausgeführt ist, ändert sich ihre Dichtigkeit schon bei kleinen Änderungen der Spaltweite S in erheblichem Maße. Bei reduzierter Spaltweite S erreicht der der Druck in der Ausgleichskammer 6 nahezu das Druckniveau des Vordrucks p1. Bei großer Spaltweite S stellt sich aufgrund der Ausgleichsleitung 10 in der Ausgleichskammer 6 ein Druck ein, der dem Enddruck p2 gleichkommt. Die funktionellen Durchmesser der Turbomaschinen di und dm (innerer und mittlerer Durchmesser der Beschaufelung) sind dabei mit dem Anordnungsdurchmesser dk der Axialdichtung und den in Fig. 1 nicht dargestellten Anordnungsdurchmesser dz der Radialdichtung 7 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.

Figur 2 zeigt einen Teilausschnitt des Gehäuses 3 mit dem Stutzen 5 für das unter einem Vordruck p, zugeführte Medium. Das Laufrad im Bereich 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 von Axialdichtung 8 und Radialdichtung 7 hinsichtlich Ihrer Dichtwirkung lässt sich auch hier der zu Figur 1 beschriebene Regelvorgang erzielen.

Der Ausschnitt nach Figur 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 Sn eine größere Spaltweite aufweist als die Axialdichtung 8. Die Axialdichtung 8a wird daher erst beim Versagen der Axialdichtung 8 zum Einsatz kommen. Zur Überwachung der Funktion der Hauptdichtung 8 wird der Druck in der Kammer 6a gemessen und mit dem Enddruck p2 verglichen.

In der Figur 4 sind die Axialdichtungen 8 und 8a in axialer Richtung nebeneinander angeordnet, wobei die Axialdichtung 8a mit Ihrer größeren Spaltweite Sn erst dann zum Einsatz kommt, wenn die Axialdichtung 8 versagen sollte. Zur Überwachung der Funktion der Hauptdichtung 8 wird der Druck in der Kammer 6a gemessen und mit dem Enddruck p2 verglichen.

Ein Ausschnitt der Abbildung nach Figur 1 ist in Figur 5 dargestellt. In Weiterbildung zu Figur 1 ist in Figur 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. Einrichtung zur Kompensierung des Axialschubes bei Turbomaschinen, mit einer zwischen einem Rotor (2) und einem Gehäuse (3) der Turbomaschine wirkenden Radialdichtung (7), mit einer zwischen dem Rotor (2) und dem Gehäuse (3) wirkenden Axialdichtung (8), mit einem auf dem Rotor (2) befestigten Ausgleichskolben (9), wobei der Ausgleichskolben (9), das Gehäuse (3), die Radialdichtung (7) und die Axialdichtung (8) eine Ausgleichskammer (6) begrenzen, wobei die Axialspaltweite (S) der Axialdichtung (8) analog der betriebsbedingten Axialverschiebung des Rotors (2) variierbar ist, und mit einer einen Druckausgleich zwischen dem Niederdruckbereich der Turbomaschine und der Einrichtung zur Kompensierung des Axialschubes herbeiführenden Ausgleichsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialdichtung (8) zwischen einer Seitenfläche des Ausgleichskolbens (9) und dem Gehäuse (3) vorgesehen ist, dass der Ausgleichskolben (9) mit dem in Abhängigkeit der Axialspaltweite (S) in der Ausgleichskammer (6) herrschenden Druck beaufschlagt ist, und dass die Ausgleichsleitung (10) einen zwischen Ausgleichskammer (6) und Umgebung angeordneten, von dem Gehäuse (3) und dem Rotor (2) begrenzten weiteren Raum mit dem Enddruck (p2) beaufschlagt.
  2. Einrichtung nach Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Durchmesser (dk und dz) von Axialdichtung (8) und Radialdichtung (7) in Abhängigkeit der funktionellen Durchmesser (di und dm) der Turbomaschine gewählt ist.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtwirkungen der Axialdichtung (8) und der Radialdichtung (7) aufeinander abgestimmt sind.
  4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialdichtung (8) eine Gleitringdichtung ist.
  5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialdichtung (8) eine Bürstendichtung ist.
  6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialdichtung (8) eine adaptive Dichtung mit geringer Spaltweite ist.
  7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß der Axialdichtung (8) eine weitere Axialdichtung (8a) nebengeordnet ist, die mit einer größeren Basisspaltweite (Sn) ausgestattet ist.
  8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß zur Absicherung instationärer Betriebszustände dem Rotor (2) ein Axiallager (14) zugeordnet ist.
Anspruch[en]
  1. Device for compensating axial thrust in turbo-engines, with a radial seal (7) that takes effect between a rotor (2) and a housing (3), with an end seal (8) that takes effect between the rotor (2) and the housing (3), and with a relieving piston (9) fitted on the rotor (2), whereby the relieving piston (9), the housing (3), the radial seal (7) and the end seal define a compensating chamber (6), whereby the axial gap width (S) of the end seal (8) can be varied in a manner analogous to the operational axial displacement of the rotor (2), and with a pressure equalising pipe for bringing about pressure equalisation between the low pressure zone of the turbo-engine and the device for compensating axial thrust, characterised in that the end seal (8) is situated between a lateral surface of the relieving piston (9) and the housing (3), that the relieving piston (9) is actuated by the prevailing pressure in the compensating chamber (6), depending on the axial gap width (S), and that the pressure equalising pipe (10) acts upon a further space, which is located between the compensating chamber (6) and the surroundings and defined by the housing (3) and the rotor (2), with the ultimate pressure (p2).
  2. Device according to claim 1, characterised in that the respective diameter (dκ, and dz) of the end seal (8) and the radial seal (7) is selected in mutual dependence on the functional diameter (dl and dm) of the turbo-engine.
  3. Device according to claim 1, characterised in that the seal effects of the end seal (8) and the radial seal (7) are attuned to one another.
  4. Device according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the end seal (8) is an axial face seal.
  5. Device according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the end seal (8) is a brush seal.
  6. Device according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the end seal (8) is an adaptive seal with a small gap width.
  7. Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the end seal (8) has an additional adjoining end seal (8a) that is provided with a larger base gap width (Sn).
  8. Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the rotor (2) is allocated a thrust bearing (14) as a safeguard against non-steady operating conditions.
Anspruch[fr]
  1. Dispositif de compensation de la poussée axiale dans des turbomachines, avec une garniture d'étanchéité radiale (7) agissant entre un rotor (2) et un carter (3) de la turbomachine, avec une garniture d'étanchéité axiale (8) agissant entre le rotor (2) et le carter (3), avec un piston de compensation (9) fixé sur le rotor (2), le piston de compensation (9), le carter (3), la garniture d'étanchéité radiale (7) et la garniture d'étanchéité axiale (8) délimitant une chambre de compensation (6), le jeu axial (S) de la garniture d'étanchéité axiale (8) pouvant varier de manière analogue au déplacement axial du rotor (2), généré par les conditions de service, et avec une conduite de compensation produisant un équilibrage de la pression entre le domaine de basse pression de la turbomachine et le dispositif de compensation de la poussée axiale, caractérisé en ce que la garniture d'étanchéité axiale (8) est prévue entre les faces latérales du piston de compensation (9) et du carter (3), en ce que le piston de compensation (9) est sollicité par la pression qui règne en fonction du jeu axial (S) dans la chambre de compensation (6), et en ce que la conduite de compensation (10) achemine la pression finale (p2) dans un autre compartiment disposé entre la chambre de compensation (6) et l'environnement et délimité par le carter (3) et le rotor (2).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre respectif (dk et dz) de la garniture d'étanchéité axiale (8) et de la garniture d'étanchéité radiale (7) est choisi en fonction du diamètre fonctionnel (di et dm) de la turbomachine.
  3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les actions d'étanchéité de la garniture d'étanchéité axiale (8) et de la garniture d'étanchéité radiale (7) sont ajustées l'une à l'autre.
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la garniture d'étanchéité axiale (8) est une garniture étanche à anneau glissant.
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la garniture d'étanchéité axiale (8) est un joint étanche en forme de brosse.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la garniture d'étanchéité axiale (8) est un joint étanche adaptatif avec un faible jeu.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à côté de la garniture d'étanchéité axiale (8) est disposée une garniture d'étanchéité axiale supplémentaire (8a) qui comporte un jeu de base (Sa) plus grand.
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un palier axial (14) est associé au rotor (2) pour la protection contre les états de service turbulents.






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