Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie der nebengeordneten Ansprüche 2 und 3.
Dampfturbinen werden in einer Bauart als Gegendruckturbinen eingesetzt, wenn der ausgangsseitige Dampf in einem Wärmenetz bei erhöhtem Druck genutzt werden soll. In einer anderen als Kondensationsturbine bezeichneten Bauart wird der Wärmeinhalt des Dampfes durch seine vollständige Expansion bis zu einem Unterdruck gegenüber der Atmosphäre ausgenutzt. Dies hat zur Folge, daß sich die äußeren Dichtungen einer Kondensationsturbine dazu eignen müssen, das Eindringen von Luft in das mit Dampf gefüllte Turbinengehäuse zu verhindern.
Fig.3 soll den Stand der Technik verdeutlichen, nach dem Dichtungen W1 des Turbinengehäuses einer Kondensationsturbine berührungslos, in Form von Labyrinthen ausgeführt werden. Bei dieser Dichtungsart müssen geeignete Vorkehrungen getroffen werden, durch die eine Verbesserung der Dichtwirkung erreicht wird. Im allgemeinen geschieht das frisch -und abdampfseitig durch eine weitere Dichtung W2 die vom Gehäuseinnenraum aus hinter der eigentlichen Wellendichtung W1 angeordnet ist und
durch eine zwischen W1 und W2 liegende mit Sperrdampf S1, S2 beaufschlagte Ringkammer S. Der Druck für diesen Dampf wird gerade so groß gewählt, daß in allen Fällen eine Strömung nach außen erfolgt und damit das Eindringen von Luft ausgeschlossen ist. Ein durch die äußere Dichtung strömender Leckdampf L1 muß wiederum durch geeignete Ringkammern L und Labyrinthdichtungen W3 am Austritt in die Atmosphäre gehindert werden. Schließlich sorgt eine Kammer W dafür, daß das restliche Leckdampf/Luft-Gemisch sicher abgesaugt werden kann.
Der Aufwand für die geschilderten Dichtungsmaßnahmen ist außerordentlich hoch, da die austretenden Dampfmengen auch noch in einem Sperrdampfkondensator abgeführt werden müssen und weil die Dampfzustände für den zu verwendenden Sperrdampf S1, S2 an die Temperaturen des heißen Turbineneintritts und des Turbinenaustritts separat angepaßt werden müssen.
Es ist weiterhin bekannt, Gleitringdichtungen im Turbomaschinenbau bei stationären Verdichtern und bei Flugtriebwerken einzusetzen. Ein speziell für den Ausgleichskolben einer Dampfturbine geeigneter Dichtungsaufbau ist aus der DE 35 33 829 A1 bekannt. Beschrieben wird eine Anwendung dieser Dichtung anstelle eines inneren Ausgleichskolbenlabyrinths bei einer Dampfturbine. Eine Abhebevorrichtung soll dabei verhindern, daß während der Aufwarm- und Kondensationsphase des Dampfes im Bereich der Dichtung ein Schaden eintreten kann. Die Abhebevorrichtung ist auch geeignet, den Stillstand und Turnbetrieb einer Turbine abzusichern.
Aus der JP 05 231 103 A ist eine Dampfturbine bekannt, bei der auf der Frischdampfseite und der Abdampfseite je drei Dichtungen, also insgesamt 6 Dichtungen, benötigt werden. Bei dieser Turbine wird sowohl frischdampf- als auch abdampfseitig zwischen zwei Dichtungen je ein Dichtungsraum gebildet. Diese beiden Dichtungsräume werden durch eine Ausgleichsleitung miteinander verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kondensationsturbine zu schaffen, die ohne teure Sperrdampfeinrichtungen, zahlreiche Rohrleitungen und Kondensationseinrichtungen auskommt und dennoch den Einbruch von Außenluft in den Unterdruck aufweisenden Turbineninnenraum verhindert.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.
Durch eine Gleitringdichtung, die so ausgeführt oder eingebaut ist, daß die zur Gasschmierung erforderliche Durchströmung der Gleitringdichtung von der äußeren Atmosphäre in den Gehäuseinnenraum erfolgen kann, gelingt der Aufbau einer Kondensationsturbine, bei der sowohl frischdampfseitig als auch abdampfseitig mindestens je eine Dichtung als gasgeschmierte Gleitringdichtung ausgeführt ist. Die frischdampfseitig und abdampfseitig jeweils äußersten Gleitringdichtungen sind dabei getrennten Dichtungsräumen zugeordnet, die durch eine Ausgleichsleitung AG mit einem gleichen unterhalb des atmosphärischen Außendrucks liegenden Druck beaufschlagt sind.
Die Konstruktion der Kondensationsturbine wird durch die Verwendung einer Gleitringdichtung der genannten Art erheblich vereinfacht, da der Dampfraum in allen Betriebsbedingungen vor Lufteinbruch geschützt ist. Insbesondere gilt dies auch für den Stillstand und den sog. Turnbetrieb, bei dem die Turbinenwelle durch langsames Drehen mit einer geeigneten Vorrichtung vor einer Verkrümmung durch einseitige Erwärmung geschützt wird. Mit der beschriebenen Einrichtung kann das aus mehreren Labyrinthdichtungen bestehende äußere Wellenlabyrinth frischdampf- und abdampfseitig durch je eine Gleitringdichtung ersetzt werden, die in allen Betriebszustanden sicher ihre Aufgaben erfüllt. Auf teuere Sperrdampfeinrichtungen, zahlreiche Rohrleitungen und Kondensationseinrichtungen kann verzichtet werden. Die Anordnung einer Wrasendampfabsaugung W erfolgt - falls erforderlich - wie bei der konventionellen Ausführung gemäß Fig. 3.
In einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes kann die Gleitringdichtung so in die Kondensationsturbine eingebaut werden, daß ihr Dichtspalt entweder vom inneren zum äußeren Durchmesser dieser Gleitringdichtung oder auch umgekehrt durchströmt wird. Demgemäß ist vorgesehen, daß bei den Gleitringdichtungen in ihre Dichtflächen eine aerodynamisch wirksame Bemusterung integriert ist, deren Wirkrichtung mit der vorgesehenen Durchströmung der Gleitringdichtungen von der äußeren Atmosphäre in den Gehäuseinnenraum korrespondiert.
Zur Entlastung des Axiallagers werden im Hauptstrom einflutig aufgebaute Dampfturbinen normalerweise mit einem Ausgleichskolben versehen, der den Einsatz einer weiteren Dichtung erfordert. In einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist deshalb vorgesehen, daß frischdampfseitig hinter der äußersten Gleitringdichtung eine Ausgleichskolbendichtung eingefügt ist, die ebenfalls als Gleitringdichtung aufgebaut ist.
Auf mindestens ebenso vorteilhafte Weise wie mit dem bereits geschilderten Aufbau nach Anspruch 1 kann die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst werden. Dadurch, daß frischdampfseitig eine als Ausgleichskolbendichtung wirkende Gleitringdichtung auch eine Abdichtung des Wellendurchtritts durch das Turbinengehäuse übernimmt, wird eine Gleitringdichtung und damit ein teures Bauteil eingespart. Bei Turbinen, bei denen der verbleibende Restschub nur aus einer in den Turbinenstufen verarbeiteten
Druckdifferenz von ca. 1 bar herrührt, kann das Axiallager durchaus so dimensioniert werden, daß es diese Kräfte aufnehmen kann. Dabei ist es möglich, das Axiallager der Turbinenwelle so für beide axiale Richtungen zu dimensionieren, daß es die Schübe bei Vollast und bei Leerlauf optimal aufnimmt.
Bei der Gleitringdichtung besteht ein wesentliches Problem darin, daß bei sehr niedrigen Drehzahlen des Turbinenrotors, wie sie im Anfahrbetrieb oder bisweilen auch im Turnbetrieb auftreten, das aerodynamische Spreizen des Dichtungsspaltes nicht oder nicht ausreichend erfolgt und dadurch die Dichtflächen einem erhöhten Abrieb unterliegen. Es ist deshalb vorteilhaft, Hilfmittel vorzusehen, die im Anfahrbetrieb oder im Turnbetrieb für eine ausreichende Speizung des Dichtspaltes sorgen.
Bei einer Übernahme der Ideen aus der DE 35 33 829 A1 können die zur Spreizung erforderlichen Hilfsmittel aus mechanisch wirkenden Elementen aufgebaut werden, und dann im Anfahr- oder Turnbetrieb ein öffnen des Dichtspaltes auf die erforderliche Breite ermöglichen.
Alternativ dazu können die zur Spreizung erforderlichen Hilfsmittel jedoch auch aerodynamisch wirkend aufgebaut werden, wobei in einen die Ausgleichskolbendichtung umschliessenden Dichtungsraum eine Dampfzuführung erfolgt, die über ein Ventil steuerbar ist und damit im Normalbetrieb, wenn der Dichtungsraum einen ausreichenden Überdruck aufweist, abgeschaltet werden kann. Dies ist insbesondere bei Kondensationsturbinen erforderlich, bei denen die Dichtung im Unterdruckbetrieb nicht ausreichend zur eigenen Kühlung durchströmt würde.
Den bei einem Bruch einer frischdampfseitigen Gleitringdichtung auftretenden Gefahren kann man dadurch begegnen, daß mindestens eine konventionelle Labyrinthdichtung als Notdichtung vorgeschaltet wird. Eine der frischdampfseitigen Gleitringdichtung nachgeschaltete konventionelle Labyrinthdichtung erfüllt den gleichen Zweck als Notdichtung.
Eine weitere Sicherheitsmaßnahme kann darin bestehen, daß an mindestens einer als Notdichtung wirkenden Labyrinthdichtung die Druckdifferenz vor und hinter dieser Dichtung gemessen wird und bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes eine Schnellschlußauslösung der Dampfturbine erfolgt.
Die Dichtwirkung der Gleitringdichtung beeinträchtigende Verformungen lassen sich dadurch vermeiden, daß die Gleitringdichtung und ein sie aufnehmendes Dichtungsgehäuse nicht geteilt sind, sondern bei der Montage als geschlossene Ringteile auf den Turbinenrotor aufgeschoben werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
In den Fig. 1 und 2 ist der Aufbau einer Gleitringdichtung Wa,Wb,Wc mit ihren wesentlichen Teilen, wie sie bei den erfindungsgemäßen Beispielen zur Anwendung kommen, dargestellt. Die für hohe Temperaturen geeignete Gleitringdichtung besitzt einen nicht rotierenden Gleitring 2, der beweglich durch eine Sekundärdichtung 3 mit dem Turbinengehäuse TG bzw. dem Dichtungsgehäuse 10 verbunden ist. Der Gleitring 2 wird durch Federn 4 über die Sekundärdichtung 3 an einen rotierenden Gegenring 1 oder die Turbinenwelle TW selbst angedrückt. Zwischen beiden Ringen 1 und 2 liegt ein Dichtspalt DS. Aus Gründen der Formgenauigkeit kann der mit der Turbinenwelle TW rotierende Gegenring 1 auch durch einen Präzisionszwischenring getragen werden. Er wird mit einem elastisch wirkenden Zentrierelement 7 zentriert und durch. ein Befestigungselement 8 gehalten. Ein Dichtring 9 verhindert eine Leckströmung zwischen dem Gleitring 2 und dem Rotor R.
Durch eine Gestaltung des Dichtspaltes DS der Gleitringdichtung mit einer speziellen Bemusterung an den sich gegenüberliegenden Dichtflächen, durch welche spaltöffnende Taschen mit einer Tiefe von wenigen Mikrometern entstehen, wird eine hydrodynamische Spreizung des Dichtspaltes erreicht und mit Unterstützung durch die Rotation des Gegenrings 1 werden dabei geringe Mengen des abzudichtendes Fluids durch die Dichtung gefördert. Im Vergleich zu üblichen berührungslosen Labyrinthdichtungen ist die Durchtrittsmenge so gering, daß sie den Turbinenbetrieb nicht stört. Sie kann im Kondensator durch ein Absaugesystem beseitigt werden.
Die in Fig 1 dargestellte Kondensationsturbine ermöglicht einen fast vollständigen Ausgleich der axialen Druckkräfte. Ein Rotor R mit seiner Beschaufelung B befindet sich in einem Turbinengehäuse TG und liegt mit seiner Turbinenwelle TW beidseitig in einem Gleitlager GL. Er besitzt mindestens ein Axiallager AL zum Auffangen von restlichen Axialschüben. In der schematischen Darstellung ist weiterhin die Zufuhr von Frischdampf FD und das Wegfuhren von Abdampf AD angedeutet.
Die Kondensationsturbine besitzt drei Gleitringdichtungen Wa,Wb,Wc, von denen die beiden äußeren Wa,Wb den Durchtritt der Turbinenwelle TW durch das Turbinengehäuse TG abdichten. Zu diesen Gleitringdichtungen Wa,Wb gehörige Dichtungsräume DRa,DRb sind über eine Ausgleichsleitung AG miteinander verbunden und weisen einen Unterdruck von etwa 0,04 bar auf. Durch diesen Unterdruck ist es erforderlich, die Gleitringdichtungen, im Unterschied zur Anwendung bei anderen Turbomaschinen, so aufzubauen oder anzuordnen, daß eine Anströmung des Dichtspaltes DS von außen nach innen eine Gasschmierung bewirkt und das Strömungsmedium in diesem Fall nicht Dampf, sondern Luft ist. Bei der dargestellten Anordnung werden die Gleitringdichtungen Wa,Wb in Richtung von ihrem inneren zu ihrem äußeren Durchmesser durchströmt, so daß die aerodynamisch wirkende Bemusterung entsprechend angeordnet sein muß. Man kann die Gleitringdichtungen Wa,Wb aber auch anders, z.B. wie in Fig. 1b dargestellt, einbauen. Bei allen Darstellungen ist die jeweilige Strömungsrichtung am Dichtspalt DS durch einen Pfeil gekennzeichnet.
Die beschriebene Kondensationsturbine ist zum Druckausgleich mit einem Ausgleichskolben versehen, dessen Wirkung durch eine dritte als Ausgleichskolbendichtung Wc wirkende Gleitringdichtung gewährleistet wird. Ihr Aufbau entspricht dem der beiden anderen Gleitringdichtungen Wa,Wb, doch ihr Einbau stimmt mit einer üblichen Anordnung überein, bei der eine Durchströmung von innen nach außen erfolgt. Unter normalen Betriebsbedingungen herrscht in dem zugehörigen Dichtungsraum DRc ein Überdruck, der jedoch im Turnbetrieb bis auf Unterdruck absinken kann. Für diesen Fall ist eine Dampfzufuhr K1 vorgesehen, mit deren Hilfe wieder ein zur Anströmung ausreichender Überdruck hergestellt werden kann. Ein Ventil V ermöglicht eine Steuerung des Dampfdruckes bzw. ein Abschalten der Dampfzufuhr im Normalbetrieb.
Durch die Anwendung der Ausgleichskolbendichtung Wc am Ausgleichskolben einer Dampfturbine, kann der Wirkungsgrad der Turbine erheblich gesteigert werden. Außerdem wird der konstruktive Aufwand für Rohrleitungen und der Aufwand zur Wiedereinleitung des Dampfes in das Turbinengehäuse TG erheblich geringer.
Damit es bei einem Bruch der frischdampfseitigen Gleitringdichtungen Wa,Wc nicht zu einem unerwünschten Dampfaustritt kommt, sind eine gegenüber der Ausgleichskolbendichtung Wc vorgeschaltete Notdichtung 5 und eine nachgeschaltete Notdichtung 6 vorgesehen. Ebenfalls zur Erhöhung der Sicherheit werden Druckdifferenzen der Drücke Pw und Pk vor und hinter den Notdichtungen 5,6 erfaßt, die bei Überschreiten zulässiger Grenzwerte einen Schnellschluß der Turbine auslösen können.
Die Kondensationsturbine nach Fig.2 entspricht in ihrem Grundaufbau der Fig.1, so daß auf diesbezügliche Wiederholungen verzichtet werden kann. Ein entscheidender Unterschied besteht darin, daß eine Ausgleichskolbendichtung Wd auch die Abdichtung des frischdampfseitigen Wellendurchtritts mit übernimmt, so daß die Gleitringdichtung Wa nach Fig.1 eingespart wird. Erkauft wird dies allerdings durch das Fehlen eines hydrostatischen Druckausgleichs des Kondensationsteils. Um diese Drücke aufzufangen, muß das Axiallager AL entsprechend dimensioniert werden.
Zur Vermeidung von Verformungen im Bereich der Ringe 1 und 2 werden ungeteilte Dichtungsgehäuse 10 verwendet, die sich ohne Öffnen des Turbinengehäuses montieren lassen.