Rotor für eine Strömungsmaschine mit einer Wellendichtung und Verfahren zur Reparatur des Rotors

Abstract

 Ein Rotor für eine Strömungsmaschine weist eine Welle (3) und einer Wellendichtungshülse (7) auf, die am Außenumfang der Welle (3) zum Ausbilden einer Wellendichtung (5) zusammen mit einer Wellendichtungsbuchse (6) der Strömungsmaschine (1) angebracht ist, wobei die Wellendichtungshülse (7) einen Wellendichtungsring (8) aufweist, der von einer Mehrzahl an über den Umfang aneinander gereihten Segmenten (9) gebildet ist, die jeweils eine in Umfangsrichtung verlaufende Fußplatte (10) und radial innen liegend daran befestigt einen in Umfangsrichtung verlaufenden Steg (11) aufweisen, der mit einer Nut (12) derart formschlüssig in Eingriff steht, die in der Oberfläche der Welle (3) vorgesehen ist, dass die Fußplatte (10) radial und axial an der Welle (3) festgelegt ist sowie die Oberfläche der Welle (3) abdeckt, wobei zum Zusammenwirken mit der Wellendichtungshülse (7) die Fußplatte (10) dieser zugewandt angeordnet ist.

Beschreibung

Rotor für eine Strömungsmaschine mit einer Wellendichtung und Verfahren zur Reparatur des Rotors

[0001] Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Strömungsmaschine, wobei an dem Rotor eine Wellendichtung vorgesehen ist, und ein Verfahren zur Reparatur des Rotors sowie ein Verfahren zur nachträglichen Vergrößerung des Außendurchmessers des Rotors.

[0002] Eine Strömungsmaschine, beispielsweise eine Dampfturbine, weist ein Gehäuse und einen Läufer auf, der in dem Gehäuse drehbar gelagert ist. Beim Betrieb der Dampfturbine tritt in das Gehäuse Dampf ein, dessen Enthalpie an einer Beschaufelung des Läufers abgebaut wird, so dass der Läufer drehangetrieben wird. Der Läufer weist eine Welle auf, die an ihren Längsenden mit jeweils einem Lager gelagert ist, das außerhalb des Gehäuses vorgesehen ist. Da die Welle beim Betrieb der Dampfturbine relativ zu dem Gehäuse sich bewegt, ist ein Radialspalt zwischen der Welle und dem Gehäuse vorgesehen, so dass die Welle an das Gehäuse nicht anstreifen kann. Durch den Radialspalt stellt sich aufgrund des Überdrucks des Dampfs innerhalb des Gehäuses eine Leckageströmung ein. Es wird angestrebt diesen Radialspalt möglichst effektiv abzudichten, so dass die Leckage möglichst gering ist.

[0003] Herkömmlich ist in dem Radialspalt zur Reduktion der Leckage beispielsweise eine berührungsfreie Labyrinthdichtung vorgesehen. Im stationären Betrieb der Dampfturbine ist die Weite des Radialspalts über die Zeit im Wesentlichen konstant. Erstrebenswert ist es, dass die Labyrinthdichtung eine möglichst starke Abdichtwirkung hat, damit der Wirkungsgrad der Dampfturbine hoch ist. Allerdings kann sich bei instationären Betriebszuständen der Dampfturbine die Weite des Radialspalts verändern, wobei ein Anstreifen der Labyrinthdichtung unterbunden sein soll.

[0004] Beispielsweise ist die Dampfturbine zur Stromerzeugung in einem Dampfkraftwerk eingesetzt. Der hohe thermische Wirkungsgrad des modernen Dampfkraftwerks beruht auf extreme Dampfparameter, deren Handhabbarkeit insbesondere in der Dampfturbine an Grenzen stößt. So ist es häufig erforderlich, dass in derartigen Dampfturbinen eintrittsnah der Einsatz von widerstandsfähigen Materialien notwendig ist. Dadurch ergeben sich allerdings im Bereich der Labyrinthdichtung Werkstoffkombinationen beispielsweise aus Nimonic, die ein schlechtes Einlaufverhalten haben. Dies ist insbesondere dann ungünstig, wenn es beim Betrieb der Dampfturbine zu einer Spielüberbrückung im Labyrinth kommt. Um dem entgegenzuwirken, müsste im Labyrinth eine Anhebung der Radialspiele vorgenommen werden, um jegliche Spielüberbrückung und deren dynamische Selbstverstärkung zu unterbinden. Das Anheben der Radialspalte ist insbesondere im Kolbenbereich der Dampfturbine schädlich, da hieraus besonders hohe, anteilige Radialspaltverluste resultieren.

[0005] Am Rotor erfolgt herkömmlich die Ausbildung der Wellendichtung durch Andrehen von Dichtspitzen oder Einstemmen von Dichtbändern. Bei der Auswahl des Wellendichtungstyps (beispielsweise eine Labyrinth-Durchblick-Dichtung oder eine Spitze-Spitze-Dichtung) und bei der Bemessung des Radialspalts ist auf die gewählte Materialpaarung zwischen dem Rotor und dem angrenzenden stationären Bereich Rücksicht zu nehmen. Die gewählte Materialpaarung kann also nur die Eigenschaften "hohe thermisch-mechanische Festigkeit bei schlechtem Einlaufverhalten" oder "geringere Festigkeit bei gutem Einlaufverhalten" haben.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rotor für eine Strömungsmaschine mit einer Wellendichtung sowie ein Verfahren zur Reparatur des Rotors und ein Verfahren zur nachträglichen Vergrößerung des Außendurchmessers des Rotors zu schaffen, wobei die Wellendichtung eine hohe Festigkeit und eine geringe Leckagerate hat.

[0007] Der erfindungsgemäße Rotor für eine Strömungsmaschine weist eine Welle und eine Wellendichtungshülse auf, die am Außenumfang der Welle zum Ausbilden einer Wellendichtung zusammen mit einer Wellendichtungsbuchse der Strömungsmaschine angebracht ist, wobei die Wellendichtungshülse einen Wellendichtungsring aufweist, der von einer Mehrzahl an über den Umfang aneinandergereihten Segmenten gebildet ist, die jeweils eine in Umfangsrichtung verlaufende Fußplatte und radial innenliegend daran befestigt einen in Umfangsrichtung verlaufenden Steg aufweisen, der mit einer Nut derart formschlüssig in Eingriff steht, die in der Oberfläche der Welle vorgesehen ist, dass die Fußplatte radial und axial an der Welle festgelegt ist sowie die Oberfläche der Welle abdeckt, wobei zum Zusammenwirken mit der Wellendichtungshülse die Fußplatte dieser zugewandt angeordnet ist.

[0008] Dadurch, dass der Wellendichtungsring und der Rotor als separate Bauteile für die Strömungsmaschine vorgesehen sind, können für den Wellendichtungsring und den Rotor individuelle Materialen ausgewählt werden. Durch eine entsprechende Wahl des Materials für den Wellendichtungsring kann eine hinsichtlich des Einlaufverhaltens ungünstige Materialpaarung mit der Wellendichtungsbuchse vermieden werden. Es ist vorteilhaft ermöglicht, dass der Rotor aus einem Material hergestellt ist, das zwar eine hohe Festigkeit aber ein schlechtes Einlaufverhalten hat, das dadurch kompensiert wird, dass der Wellendichtungsring aus einem Material mit einem guten Einlaufverhalten hergestellt ist. Dadurch kann eine hinsichtlich des Einlaufverhaltens ungünstige Materialpaarung bei potenziellem radialem Anstreifen in der Wellendichtung und ein deshalb eventuell erforderlicher Radialspielzuschlag vermieden werden. Ferner ist beim Anstreifen der Wärmeeintrag in den Rotor vorteilhaft begrenzt, so dass eine dadurch verursachte Verkrümmung des Rotors unterbunden ist. Beim Anstreifen beschränkt sich der Wärmeeintrag zunächst auf den Wellendichtungsring, so dass eine eventuelle Beschädigung des Materials des Rotors verhindert ist. Durch die gezielte Wahl des Materials für den Wellendichtungsring wird somit eine Einflussnahme auf die Materialkombination in Bereichen mit engem Radialspiel durch den entsprechend eingebauten Wellendichtungsring genommen. Bei harter Spielüberbrückung wirkt der Wellendichtungsring sowohl als thermischer Puffer zum dahinter liegenden Rotor als auch als austauschbare "Opferschicht", wodurch größere Schäden an dem Rotor, wie beispielsweise verbleibende Verkrümmungen oder Aufhärtungen, vermieden werden können.

[0009] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reparatur des Rotors weist die Schritte auf: Ausbauen von den Segmenten aus der Nut der Welle, die schadhaft sind; Einbau von neuen Segmenten zum Ersetzen der schadhaften Segmente. Dadurch ist ein Konzept für die Reparatur-(Backup)-Lösung für Anstreifschäden in Wellendichtungsbereichen geschaffen, da ein sonst erforderliches radiales Abdrehen der äußeren Wellenendbereiche durch eine entsprechende Anpassung der Höhe der Fußplatte des Wellendichtungsrings kompensiert werden kann.

[0010] Ferner weist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur nachträglichen Vergrößerung des Außendurchmessers der Welle im Bereich der Wellendichtung die Schritte auf: Fertigen einer umlaufenden Nut in der Welle im Bereich der Wellendichtung; Herstellen von einer Mehrzahl an Segmenten eines Wellendichtungsrings, wobei die Dicke der Fußplatte von der Differenz des Außendurchmessers der Welle im Bereich der Wellendichtung und des Außendurchmessers nach der Vergrößerung definiert ist; Einsetzen der Segmente in die Nut. Dadurch ergibt sich die potenzielle Möglichkeit beispielsweise im Service für bestehende Rotoren im Falle zu kleiner Kolbendurchmesser, wenn beispielsweise in die Strömungsmaschine längere Schaufeln eingesetzt werden sollen, dies bis zu einem bestimmten Grad durch eine entsprechende Wahl der Höhe der Fußplatte zu kompensieren.

[0011] Der Querschnitt des Stegs ist bevorzugt hammerkopfförmig geformt und die Nut ist bevorzugt als eine T-Nut ausgebildet.

[0012] Ferner ist die radiale Außenoberfläche der Fußplatte bevorzugt derart ausgebildet, dass die Wellendichtungshülse mit der Wellendichtungsbuchse eine Volllabyrinth-Wellendichtung oder eine Durchblick-Wellendichtung oder eine Spitze-Spitze-Wellendichtung oder eine Kamm-Nut-Wellendichtung bildet. Dabei ist bevorzugt in die Oberfläche der radialen Außenoberfläche der Fußplatte ein Dichtbandmaterial eingestemmt. Alternativ hierzu ist es bevorzugt, dass in die Oberfläche der radialen Außenoberfläche der Fußplatte ein integriertes Dichtband eingefräst ist.

[0013] Bevorzugtermaßen ist die die den Formschluss mit den Segmenten bildende Nut an einer Stelle am Umfang der Welle derart mit einer Erweiterung versehen, dass in diese Nut jedes Segment durch die Erweiterung einsetzbar ist. Die Nut ist in ihrer radialen Ausdehnung bevorzugt derart bestimmt, dass das Segment in der Nut eingesetzt ein Radialspiel hat. Hierbei ist es bevorzugt, dass in der Nut das Segment durch Unterstemmen befestigt ist.

[0014] Es ist bevorzugt, dass die Wellendichtungshülse eine Mehrzahl an Wellendichtungsringen aufweist, die axial nebeneinander liegend am Außenumfang der Welle befestigt sind, wodurch durch die Mehrzahl an Wellendichtungsringen die Wellendichtungshülse gebildet ist. Die Wellendichtungsringe sind bevorzugt gleichartig dimensioniert und liegen bevorzugt derart nebeneinander, dass mit der radialen Außenoberfläche der Fußplatten die radiale Außenoberfläche der Wellendichtungshülse gebildet ist. Ferner ist es bevorzugt, dass die Segmente aus einem Werkstoff hergestellt sind, der ein günstiges Anstreifverhalten hat, wenn beim Betrieb der Strömungsmaschine die Wellendichtungsbuchse oder an ihr angebrachte Dichtelemente, wie z.B. Dichtspitzen, an die Wellendichtungshülse anstreift.

[0015] Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors für eine Strömungsmaschine anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert.

[0016] Es zeigt:

Fig. 1

einen Längsschnitt im Bereich einer Wellendichtung der Strömungsmaschine.

[0017] Wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist eine Strömungsmaschine 1 einen Rotor 2 mit einer Welle 3 auf. Die Welle 3 hat ein Wellenende 4, an dem eine Wellendichtung 5 vorgesehen ist, die eine Wellendichtungsbuchse 6 und die Wellendichtungshülse 7 aufweist. Die Wellendichtungsbuchse 6 ist in einem Gehäuse der Strömungsmaschine 1 stationär eingebaut, wohingegen die Wellendichtungshülse 7 auf dem Wellenende 4 ausgebildet ist.

[0018] Die Wellendichtungshülse 7 weist eine Mehrzahl an Wellendichtungsringen 8 auf, die axial nebeneinanderliegend auf dem Wellenende 4 angeordnet sind. Jeder Wellendichtungsring 8 ist in Umfangsrichtung in mehrere Segmente 9 aufgeteilt. Jedes Segment 9 weist radial außenliegend eine Fußplatte 10 auf, die als ein flaches Ringsegment ausgebildet ist und radial außenseitig mit der Wellendichtungsbuchse 6 zum Ausbilden der Wellendichtung gestaltet ist. An der Fußplatte 10 radial nach innen zeigend ist ein Steg 11 vorgesehen, der in seinem Querschnitt hammerkopfförmig geformt ist.

[0019] In der Oberfläche des Wellenendes 4 ist eine Mehrzahl an umlaufenden T-Nuten 12 vorgesehen, wobei in jede T-Nut 12 einer der Wellendichtungsringe 8 eingesetzt ist. Die Form des Querschnitts der T-Nut 12 ist derart auf den Querschnitt eines jeden Segments 9 abgestimmt, dass in der T-Nut 12 der Steg formschlüssig angeordnet ist und die Fußplatte 10 auf dem Wellenende 4 aufliegt. Durch z.B. Unterstemmstücke radial eingestemmt unterhalb der Segmente 9 zum Nutgrund der Welle 3 hin ist das Segment 9 auf dem Wellenende 4 radial festgelegt.

Ansprüche

1. Rotor für eine Strömungsmaschine,
mit einer Welle (3) und einer Wellendichtungshülse (7), die am Außenumfang der Welle (3) zum Ausbilden einer Wellendichtung (5) zusammen mit einer Wellendichtungsbuchse (6) der Strömungsmaschine (1) angebracht ist,
wobei die Wellendichtungshülse (7) einen Wellendichtungsring (8) aufweist, der von einer Mehrzahl an über den Umfang aneinander gereihten Segmenten (9) gebildet ist, die jeweils eine in Umfangsrichtung verlaufende Fußplatte (10) und radial innen liegend daran befestigt einen in Umfangsrichtung verlaufenden Steg (11) aufweisen, der mit einer Nut (12) derart formschlüssig in Eingriff steht, die in der Oberfläche der Welle (3) vorgesehen ist, dass die Fußplatte (10) radial und axial an der Welle (3) festgelegt ist sowie die Oberfläche der Welle (3) abdeckt,
wobei zum Zusammenwirken mit der Wellendichtungshülse (7) die Fußplatte (10) dieser zugewandt angeordnet ist.

2. Rotor gemäß Anspruch 1,
wobei der Querschnitt des Stegs (11) hammerkopfförmig geformt und die Nut als eine T-Nut (12) ausgebildet ist.

3. Rotor gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei die radiale Außenoberfläche der Fußplatte (10) derart ausgebildet ist, dass die Wellendichtungshülse (7) mit der Wellendichtungsbuchse (6) eine Volllabyrinth-Wellendichtung oder eine Durchblick-Wellendichtung oder eine Spitze-Spitze-Wellendichtung oder eine Kamm-Nut-Wellendichtung bildet.

4. Rotor gemäß Anspruch 3,
wobei in die Oberfläche der radialen Außenoberfläche der Fußplatte (10) ein Dichtbandmaterial eingestemmt ist.

5. Rotor gemäß Anspruch 3,
wobei in die Oberfläche der radialen Außenoberfläche der Fußplatte (10) ein integriertes Dichtband angefräst ist.

6. Rotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die den Formschluss mit den Segmenten (9) bildende Nut (12) an einer Stelle am Umfang der Welle (3) derart mit einer Erweiterung versehen ist, dass in diese Nut (12) jedes Segment (9) durch die Erweiterung einsetzbar ist.

7. Rotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei die Nut (12) in ihrer radialen Ausdehnung derart bestimmt ist, dass das Segment (9) in der Nut (12) eingesetzt ein Radialspiel hat.

8. Rotor gemäß Anspruch 7,
wobei das Segment (9) in der Nut (12) durch Unterstemmen befestigt ist.

9. Rotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei die Wellendichtungshülse (7) eine Mehrzahl an Wellendichtungsringen (8) aufweist, die axial nebeneinander liegend am Außenumfang der Welle (3) befestigt sind, wodurch durch die Mehrzahl an Wellendichtungsringen (8) die Wellendichtungshülse (7) gebildet ist.

10. Rotor gemäß Anspruch 9,
wobei die Wellendichtungsringe (8) gleichartig dimensioniert sind und derart nebeneinander liegen, dass mit der radialen Außenoberfläche der Fußplatten (10) die radiale Außenoberfläche der Wellendichtungshülse (7) gebildet ist.

11. Rotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei die Segmente (9) aus einem Werkstoff hergestellt sind, der ein günstiges Anstreifverhalten hat, wenn beim Betrieb der Strömungsmaschine (1) die Wellendichtungsbuchse (6) oder an ihr angebrachte Dichtelemente, wie z.B. Dichtspitzen, an die Wellendichtungshülse (7) anstreift.

12. Verfahren zur Reparatur eines Rotors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, mit den Schritten:

Ausbauen von den Segmenten (9) aus der Nut (12) der Welle (3), die schadhaft sind;

Einbauen von neuen Segmenten (9) zum Ersetzen der schadhaften Segmente (9).

13. Verfahren zur nachträglichen Vergrößerung des Außendurchmessers einer Welle (3) im Bereich der Wellendichtung (5), mit den Schritten:

Fertigen einer umlaufenden Nut (12) in der Welle (3) im Bereich der Wellendichtung (5);

Herstellen von einer Mehrzahl an Segmenten (9) eines Wellendichtungsrings (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10,

wobei die Dicke der Fußplatte (10) von der Differenz des Außendurchmessers der Welle (3) im Bereich der Wellendichtung (5) und des Außendurchmessers nach der Vergrößerung definiert ist;

Einsetzen der Segmente (9) in die Nut (12).

Zeichnung