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Labyrinthdichtung für sich drehende Maschinenteile, insbesondere an Dampf-und Gasturbinen.
Die Erfindung betrifft eine Labyrinthdichtung für sich drehende Maschinenteile, insbesondere an Dampf-und Gasturbinen. Soll bei solchen Labyrinthdichtungen eine wirksame Abdichtung erreicht werden, so muss das Spiel zwischen dem feststehenden und dem sich drehenden Teil sehr klein bemessen werden. Anderseits sollte zwischen diesen Teilen bei keinem Betriebszustand ein zu starkes Reiben ein- treten, da die in einem solchen Falle erzeugte Wärme zu unzulässigen Veränderungen und Verlagerungen anderer Teile führen würde, was Anlass zu schweren Betriebsstörungen geben könnte. Das Reiben von
Labyrinthzacken auf metallischen Gegenstücken, oder von beweglichen Kohlenstüeken auf Turbinen- wellen z.
B., verursacht auch einen Verschleiss der Zacken, ein Eingraben von Nuten in den sich drehenden
Teil, ein Heisswerden der Büchsen u. dgl.
Es sind schon Labyrinthdichtungen mit feststehenden, mehrteiligen Kohlenringen gebaut worden, bei denen am sich drehenden Teil entweder Zacken, die eine fortlaufende Schraube bilden, oder säge- artig ausgebildete Schneiden vorgesehen sind. Tritt bei solchen Dichtungen ein Streifen ein, so werden vom Kohlenring Teile weggeschnitten oder die Innenfläche des Ringes wird auf ihrem ganzen Umfang um einen gewissen Betrag abgeschabt, so dass beim Wiedereintreten normaler Betriebszustände ein we- sentlich grösseres Spiel vorhanden ist als unmittelbar nach dem Zusammenbau der Stopfbüchse, was die
Wirksamkeit der Dichtung wesentlich verschlechtert.
Zweck vorliegender Erfindung ist nun, eine Labyrinthdichtung der eingangs erwähnten Art mit feststehenden, mehrteiligen Kohlenringen zu schaffen, bei welcher die unmittelbar nach dem Zusammen- bau der Dichtung erzielbare gute Dichtung praktisch dauernd erhalten bleibt. Zu diesem Behufe sind bei der Labyrinthstopfbüchse nach der Erfindung ringförmige Kämme, die sich mit dem abzudichtenden
Maschinenteil drehen, praktisch ohne Spiel in die Kohlenringe eingebaut, aus denen sie bei einer rascheren
Wärmeausdehnung der sich drehenden Teile als der sich nicht drehenden Teile Nuten ausgraben. Diese
Nuten werden durch ein allfälliges Ausschlagen der sich drehenden Teile noch vertieft, wobei aber die von den Kämmen verlangte Drosselwirkung trotz dieser Nuten praktisch dauernd unverändert erhalten bleibt.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes beispielsweise gezeigt, wobei in allen Fällen der Einfachheit halber nur ein feststehender Kohlenring gezeichnet ist.
Es zeigt : Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Teil einer Labyrinthdichtung, deren Kohlenring radial unverschiebbar in den sich nicht drehenden Teil eingebaut ist. Fig. 2 zeigt einen Axialschnitt durch einen Teil einer Labyrinthdichtung, deren Kohlenring sich aus durch Federn radial abgestützten
Segmenten zusammensetzt. Die Fig. 3 und 4 zeigen in grösserem Massstab verschiedene Formen von Nuten, wie sie von den sich drehenden, ringförmigen Kämmen aus dem sich nicht drehenden Kohlenring ausgegraben werden. Die Fig. 5 und 6 sind Axialschnitt durch zwei weitere Ausführungsformen, bei denen die ringförmigen Kämme aus einem Baustoff bestehen, der einen grösseren Wärmeausdehnungskoeffizient besitzt als der Baustoff des übrigen, sich drehenden Teils der Dichtung. Fig. 7 zeigt schliesslich in grösserem Massstab die Wirkungsweise der Ausführungsform nach Fig. 6.
In Fig. 1 bezeichnet 1 die abzudichtende Welle einer Maschine, beispielsweise einer Dampf-oder
Gasturbine. Mit der Welle 1 ist eine Hülse 2 drehbar verbunden, die am Aussenumfang ringförmige
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Zacken oder Kämme verschiedener Länge aufweist. 5 bezeichnet ein Stück eines im übrigen nicht gezeichneten, mehrteiligen Ringes, der in einem sich nicht drehenden Teil 6 (Gehäuse, Leitradboden u. dgl.) der Maschine eingebaut ist. Der Ring weist an seinem Innenumfang Rillen 7 auf, in welche die längeren Kämme 4 der Hülse 2 ragen. Die kürzeren Kämme 3 kommen gegenüber Ringflächen des Ringes 5 zu liegen. Die Teile 2 und 5 bilden zusammen mit den ringförmigen Kämmen. 3 und 4, den Rillen 7 und den Flächen 8 eine Labyrinthstopfbüchse.
Der erwähnte Ring 4 besteht aus Kohle und die Hülse S aus einem Metall, dessen Härte auf alle Fälle wesentlich grösser ist als die der Kohle.
Die ringförmigen Kämme 3 und 4 sind praktisch ohne Spiel in den sich nicht drehenden Kohlenring eingebaut. Streifen die Kämme 3 und 4 einer solchen Stopfbüchse aus irgendeinem Grunde an der Gegenfläche der Stücke 5 des Kohlenringes, so graben sie einfach aus dem Kohlenring Nuten aus. Die Form der ausgegrabenen Nuten hängt dabei von der Ursache ab, die das Streifen bedingt. Dehnen sieh z. B. die. sich drehenden Teile der Stopfbüchse nur in radialer Richtung stärker aus als der Kohlenring, so werden
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den Teile noch vertieft werden.
Während des normalen Betriebes liegt das Aussenende der Kämme 3,4 gegen die tiefste Stelle solcher Nuten 9 an, oder das Ende der Kämme 3, 4 ragt mindestens so weit in die Nuten 9, dass durch die Kämme eine starke Umlenkung und damit eine starke Drosselung des Arbeitsbzw. Fördermittel bewirkt wird, welches durch die Stopfbüchse zu entweichen trachtet. Fig. 3 zeigt die
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Teile wieder erkaltet sind.
Da sich die Kämme 3, 4 der Hülse 2 leicht in die Stücke 5 des Kohlenringes eingraben können, werden sie beim Streifen nicht im geringsten angegriffen, was für die dauernde Aufrechterhaltung des sogar bis auf Null herabdrückbaren Spieles wichtig ist. Im weiteren werden beim Streifen unzulässige Erwärmungen vermieden. In bezug auf die Welle 1 ist letzteres wichtig, weil eine zu starke Erwärmung der Welle Anlass zu ihrer Verbiegung und, zusammenhängend damit, zu schweren Schaufelbrüchen, Lagerbeschädigungen u. dgl. führen kann.
Eine unzulässige Erwärmung der Welle wird selbst in Fällen verhindert, wo an den streifenden Stellen aus irgendeinem Grunde doch noch stärkere Wärmeerzeugungen stattfinden sollten, da die Kämme 3, 4 so lang und dünn sind, dass das die Welle bespülende Treib-oder
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Wärmeübertragung von den Streifstellen zur Hülse 2 und von dieser zur Welle 1 erfolgen kann. Die Welle bleibt daher völlig unbeeinflusst, so dass jederzeit ein Anfahren der Maschine möglich ist.
Dehnen sich die sich drehenden Teile der Stopfbüchse sowohl in radialer als auch axialer Richtung stärker aus als der Kohlenring, so graben die Kämme 3, 4 Nuten 12 von der in Fig. 4 gezeigten Form aus.
Dabei bewegen sich die Kämme 3, 4 beim Anwärmen zuerst nach rechts und nach der Anfahrperiode entlang der schrägen Fläche 13 wieder etwas nach links, wobei sie aber ständig dicht gegen die schräge Fläche 13 anliegen. In Fig. 4 sind die Teile in der Lage gezeigt, die sie einnehmen, nachdem sich im Betriebe Beharrungszustand eingestellt hat. Die Nuten 12 haben im Querschnitt, wie gezeigt, die Form eines schiefwinkligen Dreieeks.
Sollte das äussere Ende der Kämme 3, 4 gegen die Fläche 13 nicht mehr dicht anliegen, weil infolge Aussehlagens der sich drehenden Teile eine weitere Nut ausgegraben worden ist, so wird gleichwohl noch eine gute Labyrinthwirkung erzielt, da die in die Nuten 12 hineinragenden Enden der Kämme 3,4 selbst in diesem Falle noch eine starke Umlenklmg und Drosselung des zu entweichen traehtenden
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praktisch dauernd unverändert erhalten bleibt.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten dadurch, dass das Kohlenstück 5 nicht radial unverschiebbar in den Maschinenteil 6 eingesetzt ist, sondern durch eine Feder 11 radial abgestützt wird.
Bei den in Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen, die sich nur dadurch voneinander unterscheiden, dass in Fig. 5 die Erzeugende 16 der Innenfläche des Kohlenstückes 5 parallel zur Wellenachse ist, während in Fig. 6 die Erzeugende 17 geneigt zu jener Achse ist, bestehen die Kämme aus Ringscheiben 14, die zwischen Distanzringen 15 gehalten sind. Letztere sind auf eine nicht gezeichnete Weise mit dem sich drehenden Maschinenteil verbunden. Die Ringscheiben 14 bestehen aus einem Baustoff, dessen Ausdehungskoeffizient grösser ist als derjenige des Baustoffes der Maschinenteile, zwischen denen die Dichtung zu erfolgen hat, so dass sich diese Ringscheiben, die praktisch ohne Spiel in den Kohlenring eingebaut sind, beim Erwärmen der Maschine am stärksten ausdehnen und daher in den Kohlenring der Labyrinthdichtung eingraben.
Dabei werden bei der Bauart nach Fig. 5 ringförmige Nuten und im Falle einer Bauart nach Fig. 6 Nuten 18 (Fig. 7) von dreieckiger Querschnittsform ausgegraben. In Fig. 7 sind die Ringscheiben 14 in ausgezogenen Linien in der Lage gezeigt, die sie im kalten Zustand der Labyrinthdichtung einnehmen, während die gestrichelten Linien deren Lage im normalen Betriebszustand zeigen. Zufolge der Neigung der Linie 17 werden beim Bewegen der Ringseheiben 14 nach rechts tiefere Nuten 18 ausgegraben. als im Falle, wo die Erzeugende der Innenfläche der Kohlenstücke 5 parallel zur Wellenachse ist. Es ergibt sich dann auch eine verhältnismässig lange Strecke 19 (Fig. 7), längs welcher eine äusserst wirksame Drosselung stattfindet.
Dabei bleibt diese Wirkung während des
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Betriebes praktisch dauernd unverändert erhalten, da die Strecke 19 selbst nach einem stattgefundenen Ausschlagen der Teile in unveränderter Weise wirksam ist.
In allen Fällen ist in an sich bekannter Weise dafür zu sorgen, dass sieh die verschiedenen Segmente eines Kohlenringes an den radialen Trennfläche immer berÜhren, also an den Stossflächen nicht aufklaffen. Im Falle waagreehter Wellen können hiefür z. B. besondere Aufhängevorrichtungen für die untere Ringhälfte oder besondere StÜtzfedern, wie z. B. eine in Fig. 2 gezeigt ist, vorgesehen werden.
Allenfalls können an der Stossstelle der Segmente auch zusätzliche Abdichtungsmittel vorgesehen werden.
Wenn die Erzeugende der Innenfläche des Kohlenringes geneigt zur Achse des sieh drehenden Teiles ist, wie im Falle der Ausuhrungsform nach Fig. 6, so lässt sich gewünschtenfalls das radiale Spiel zwischen dem sich drehenden und feststehenden Teil der Labyrinthdichtung dadurch verändern, dass der eine oder andere dieser Teile axial verstellbar angeordnet wird.
Die Erfindung lässt sieh sinngemäss bei jeder beliebigen Anzahl von Kohlenringen anwenden.
Dabei spielt es keine Rolle, ob der sich drehende Teil sich um eine waagrechte, senkrechte oder geneigte Achse dreht. An Stelle von Kohle können auch andere Stoffe verwendet werden, die ihr, was die physikalischen Eigenschaften anbetrifft, welche für die Erzielung des mit der Erfindung angestrebten Zweckes massgebend sind, äquivalent sind.
Die erfindungsgemässe Kohlen-Labyrinthstopfbüchse eignet sich ganz besonders für sehr hohe Drücke und sehr hohe Temperaturen, weil mit verhältnismässig geringer Kammzahl eine gute Abdichtung erzielbar und Kohle gegen hohe Temperaturen unempfindlich ist. Bei einigen der beschriebenen Ausführungsformen lässt sich ganz ohne Federn auskommen, was wichtig ist, weil Federn bekanntlich bei hohen Temperaturen leicht Anlass zu Betriebsstörungen geben können. Zufolge der guten Abdichtung werden ferner Turbinenwelle in der Gegend des Hoehdrueklagers vor hohen Temperaturen geschützt, was weiter zur Erhöhung der Betriebssicherheit beiträgt.
Das zulässige, sehr kleine Spiel gestattet auch, die Hochdruckstopfbüchse verhältnismässig kurz zu halten, wodurch die Lagerdistanz kleiner wird, was wiederum gestattet, den Wellendurchmesser etwas geringer zu halten und hauptsächlich infolge kleinerer Masse des Rotors die Betriebssicherheit zu erhöhen.
Im weiteren bietet diese Labyrinthstopfbüchse den Vorteil, dass Ersatzteile (genau gleiche Kohlensegmente 5 oder Ringscheiben 14) auf Lager gehalten werden können, und dass bei einem allfälligen Einbau solcher Ersatzteile nur kurze Unterbruchszeiten in Kauf zu nehmen sind. Dabei können die Ersatzteile von jedem Schlosser ohne besondere Instruktion eingebaut werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Labyrinthdichtung für sich drehende Maschinenteile, insbesondere an Dampf-und Gasturbinen, mit feststehenden, mehrteiligen Kohlenringen, die zusammen mit umlaufenden Kämmen einen im wesentlichen in der Achsrichtung des sich drehenden Maschinenteils verlaufenden Drosselspalt begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die praktisch ohne Spiel in die Kohlenringe (5) einmontierten Kämme (3, 4) im Betrieb zusammen mit den Wandungen von Nuten (9 bzw. 12), welche diese Kämme selbst aus den Kohlenringen (5) ausgegraben haben, eine Drosselwirkung erzeugen, die dauernd praktisch unverändert erhalten bleibt.