DE3936262C2 - Turbinen-Berstschutzsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Berstschutzsystem zum Aufnehmen eines während einer unkon­ trollierten Betriebsweise brechenden oder zerspringenden Turbinenrotors einer Radialturbine.

Radialturbinenantriebe werden so ausgelegt, daß sie mit Geschwindigkeiten von mehr als 50.000 U/min arbeiten können. Bei überhöhten Geschwindigkeiten ist jedoch immer die Gefahr gegeben, daß der Turbinenrotor zerbrechen und radial aufgrund von Zentrifugalkräften aus dem Turbinen-Mechanismus herausgeschleudert werden kann. Übermäßige und unkon­ trollierbare Geschwindigkeiten können in einer Turbine aufgrund verschiedener Umstände auftreten. Bei Geschwindigkeiten, die die Berstgeschwindigkeit des Rotors überschreiten, können übermäßige Zentrifugalkräfte den Rotor veranlassen, aufgrund der Überschreitung der Beanspruchungsgrenzen oder der Grenzen des Materialzusammenhalts auseinanderzubrechen. Ein typischer Schutz bzw. eine Umhüllung für eine Turbine besteht im allgemeinen aus einem schweren, armierten Ring, von dem man erwartet, daß er undurchdringlich ist, und der den am ehesten zu erwartenden radialen Weg eines berstenden Rotors in Umfangsrichtung umgibt. Ein solcher Ring vergrößert das Gewicht und die Abmessungen der Turbine, aber er muß nicht notwendigerweise Rotorbruchstücke zurückhalten, die mit hoher Energie wegfliegen.

Die US 995 803 gibt den nächstliegenden Stand der Technik an. Sie zeigt einen Umhüllungs­ ring und ein sich nach außen verjüngendes, mit Leitschaufeln bestücktes inneres Gehäuse, welches ein Berstschutzsystem sein kann.

Durch die Erfindung soll ein Turbinen-Berstschutzsystem oder eine Turbinenumhüllung geschaffen werden, das bzw. die zuverlässig wirkt, aber nicht übermäßige Größe oder über­ mäßiges Gewicht aufweist. Außerdem soll durch die Erfindung ein Berstschutzsystem oder eine Umhüllung für eine Radialturbine geschaffen werden, das bzw. die einen gebrochenen Turbinenrotor mild abbremst und unschädlich macht.

Die Erfindung ist in den Patentansprüchen gekennzeichnet und besteht im wesentlichen darin, daß bei einem Turbinenmechanismus die radial nach außen gerichtete Bahn eines gebrochenen Turbinenrotors in ein düsenförmiges Innengehäuse hinein verläuft. Die Rotornabe berührt dabei axial gerichtete Stützstreben. Die Turbinendüsen liefern eine weitere Bremswirkung, wenn der Scheibenteil und die Schaufeln des Turbinenrotors die Düsen durchdringen. Ein weiteres Element des Systems besteht in dem düsenförmigen Innengehäuse, das innerhalb des Turbinengehäuses verdrehbar ist, um einen gewissen Anteil der Zentrifugalkraft eines gebro­ chenen Rotors zu absorbieren und in eine Drehbewegung innerhalb der Turbine umzusetzen. Das Berstschutzsystem weist weiter einen armierten Umhüllungsring auf. Schließlich kann das System eine zusätzliche Abdeckung nahe der Außenseite des Außengehäuses aufweisen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der fol­ genden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung sowie aus den Ansprüchen.

Die Zeichnung ist eine schematische Schnittansicht eines Radialturbinen­ mechanismus und zeigt die verschiedenen Elemente des erfindungsgemäßen Berstschutz- oder Umhüllungssystems.

Eine Rotorwelle 12 ist drehbar in einem Außengehäuse 14 gelagert. Ein Turbinenrotor 16 ist mit einem dicken Nabenteil 18 an der Welle 12 durch bekannte Mittel befestigt, beispielsweise durch Preßsitz, um gemeinsam mit der Welle 12 rotieren zu können. Ein Scheibenteil 20 erstreckt sich radial nach außen von der Nabe 18. Die beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen des Scheibenteils 20 konvergieren oder verjüngen sich zu einer äußeren Umfangsoberfläche hin. Eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Turbinenschaufeln 22 ragt von dem Scheibenteil 20 des Turbinenrotors 16 vor. Es sind zwei Stufen von Schaufeln 22 dargestellt.

Zwei spiegelbildlich ausgebildete Düsenglieder 26 und 28 sind in einem ringförmigen düsenanförmigen Innengehäuse zusammengebaut. Durch das Innere dieses Innen­ gehäuses ist eine Rotorkammer 30 um den Rotor 16 herum gebildet. Die Ro­ torkammer 30 konvergiert oder verjüngt sich radial nach außen in allge­ meiner Übereinstimmung mit oder entsprechend dem Profil des Scheibenteils 20 des Turbinenrotors 16. Radial benachbart zu den sich axial nach außen erstreckenden Turbinenschaufeln 22 sind axial sich nach innen erstreckende Statordüsenteile oder Leitschaufeln 32 in Umfangsrichtung angeordnet. In Umfangsrichtung mit Abständen angeordnete und axial nach innen ragende Stützstreben 34 er­ strecken sich von den Düsengliedern in eine Stellung benachbart zu dem Nabenteil 18. Zwischen dem sich drehenden Turbinenrotor und der stationären Dü­ senanordnung sind minimale axiale und radiale Spielräume vorgesehen.

Ein ringförmiger Umhüllungsring 36 ist in dem Außengehäuse 14 ange­ bracht und in geeigneter Weise ausgerichtet. Der Umhüllungsring 34 besteht aus einem gehärteten Material, wie Stahl. Der Umhüllungsring 34 trägt auch dazu bei, eine Aufnahmekammer oder Plenumkammer 38 für unter Druck stehendes Antriebsfluid zu bilden. Somit ist der armierte oder verstärkte Umhüllungsring 36 nicht ein zusätzliches oder überflüssiges Teil, das der Konstruk­ tion zusätzliches Gewicht oder zusätzliche Größe hinzufügen würde. Ein­ laßöffnungen 42 in die Plenumkammer 38 sind axial gegenüber der radialen Berstlinie des Turbinenrotors 16 versetzt.

Eine äußere Abdeckung 44 radial außerhalb des Umhüllungsrings 36 wird durch die Einlaß- und die Auslaßkanäle in dem Außengehäuse 14 gebildet.

Die ringförmige Düsenanordnung 26 und 28 ist in dem Außengehäuse 14 durch einen Pilotsitz mit dem Umhüllungsring 36 an ringförmigen Berührungs­ stellen A und B festgelegt. Die Düsenanordnung ist ferner in bezug auf das Außengehäuse 14 durch einen Pilotsitz (Führungssitz) an ringförmigen Berührungsstellen C und D festgelegt. Ein Gehäuseabdeckglied 46 ist an dem Außengehäuse befestigt, um eine kleine axiale Klemmkraft auf die Düsenanordnung zu liefern. Die Klemmkraft ist ausreichend, um eine Ver­ drehung der Düsenanordnung während des Stillstands der Turbine zu ver­ hindern. Zusätzliche Klemmkraft zwischen der Düsenanordnung 26 und 28 und dem Außengehäuse 14 wird während des normalen Betriebs der Turbine geschaffen, wenn unter Druck stehendes Antriebsfluid in die Plenumkammer 38 eingeführt wird. Hierdurch werden die Düsenglieder 26 und 28 nach außen gegen das Außengehäuse 14 gedrückt, wodurch die Klemmkraft erhöht wird.

Der Sitz der Düsenanordnung in dem Umhüllungsring 36 ist ausreichend be­ lastet, um die durch den Motor während des Betriebs erzeugte Kraft zu übertragen. Bei Stillstand bzw. außerhalb des eigentlichen Turbinenbetriebs ist die Düsenanordnung geringfügig vorbelastet, um eine freie Bewegung zu verhindern, aber sie dreht sich innerhalb des Gehäuses, wenn eine Kraft größer als die Vorbelastung aufgebracht wird, beispielsweise bei einer Brechkraft eines Rotors. Eine solche Kraft gestattet eine Verdrehung der Düsenanordnung 26 und 28 innerhalb sowohl des Außengehäuses 14 als auch des Umhüllungsrings 36, wenn diese Rotation durch ein vorbestimmtes mini­ males Schlagdrehmoment eingeleitet wird.

Während des Betriebs tritt Druckfluid durch den Einlaß 50 in die Einlaß- Plenumkammer 38 und durch Einlaßöffnungen 42 ein. Das Druckfluid geht dann durch die Einlaßdüsen 52 hindurch und an den Turbinenschaufeln 22 vorbei, wo dem Druckfluid Kraft entzogen und auf den Turbinenrotor 16 übertragen wird. Das verbrauchte Druckfluid wird dann durch waagerechte Öffnungen abgeleitet, die durch die Streben 34 gebildet sind, und es gelangt in ein Auslaßplenum oder einen Auslaßraum, und schließlich wird es durch Auslaßöffnungen 51 ausgelassen, die in dem Außengehäuse 14 gebildet sind. Wenn bei hoher Geschwindigkeit ein Versagen des Turbinenrotors 16 auftritt, muß die Nabe 18 zunächst auf die Streben 34 der Düsenanordnung auftreffen, die direkt in dem Berstpfad liegen. Dies tritt unmittelbar nach dem Bersten auf, und zwar wegen des engen Spiels zwischen dem Rotor und der Düsenanordnung. Das Aufschlagen des berstenden Rotors beginnt, die kinetische Energie auf die Düsenanordnung in der Drehrichtung zu übertragen. Die keilförmige Ge­ stalt des Turbinenrotors 16 beginnt auch anfänglich damit, die Düsenan­ ordnung 26 und 28 aufzuspalten oder auseinanderzutreiben.

Der berstende Turbinenrotor hat zusätzlich zu seiner Zentrifugalkraft auch eine Komponente in Drehrichtung. Die Schlagkraft irgendeines Rotorbruchstücks, das sich durch Zentrifugalkraft bewegt, veranlaßt die Düsenanordnung 26 und 28, sich innerhalb des Außengehäuses 14 und des Umhüllungsrings 36 zu drehen, da sich der Führungssitz oder Pilotsitz an den Berührungsstellen A-C und B-D löst.

Wahlweise können Stifte 48 verwendet werden, um die Düsenanordnung richtig in dem Außengehäuse 14 zu orientieren und festzuhalten. Diese Stifte 48 können leicht durch eine Drehmomentspitze auf die Düsenanordnung abgetrennt wer­ den, wie es durch den Schlag eines Rotorbruchstücks verursacht werden kann. Während des normalen, stetigen Betriebs der Turbine vermindert die axiale Belastung aufgrund des Drucks in der Plenumkammer 38 die auf die Stifte 48 übertragene Drehmomentbelastung.

Die kinetische Energie eines berstenden Turbinenrotors wird vermindert durch die Fähigkeit der Düsenanordnung 26 und 28, innerhalb des Außengehäuses 14 und des Umhüllungsrings 36 zu rotieren. Diese Verminderung der Energie des berstenden Rotors ermöglicht ein leichteres Zusammenhalten der Bruch­ stücke durch den Umhüllungsring 36 und durch die äußere Gehäuseabdeckung 44, sofern nötig.

Das Umhüllungs- oder Berstschutzsystem besteht somit aus vier Stufen: Der Turbinenrotor 16 muß zunächst durch die Streben 34 der Düsenanordnung 26, 28 hindurchbrechen und die Düsenanordnung 26, 28 auseinandertreiben; die drehbare Düsenan­ ordnung 26, 28 absorbiert dann einen gewissen Teil der Kraft durch Ver­ drehung in dem Außengehäuse 14 und in dem Umhüllungsring 36; der verstärkte oder armierte Umhüllungsring 36 stoppt Bruchstücke, die aus dem düsenförmigen Innengehäuse austreten wollen; schließlich bietet das Außengehäuse 14 bzw. die Abdeckung 44 eine weitere Umhüllung.

Claims (7)

1. Berstschutzsystem für eine Radialturbine mit einem Außengehäuse (14) und einem Turbinenrotor (16) mit einer Nabe (18) und einem sich nach außen verjüngenden Scheibenteil (20).

• 1. mit einem ringförmigen, sich nach außen verjüngenden, düsenförmigen Innen gehäuse (26, 28, 52) mit Leitschaufeln (32), welches zur Drehung innerhalb des Außengehäuses (14) ausgebildet ist, aber im Normalbetrieb in dem Außengehäuse (14) gegen Drehung gesichert ist,
• 2. wobei innerhalb einer Rotorkammer (30) der Turbinenrotor (16) mit minimalem axialem und radialem Spiel rotiert,
• 3. mit einer Vielzahl von Stützstreben (34), die sich von dem Innengehäuse (26, 28, 52) axial nach innen bis auf ein minimales axiales und radiales Spiel mit der Nabe (18) des Turbinenrotors (16) erstrecken,
• 4. und mit einem Umhüllungsring (36), der eine innere Oberfläche mit einem sol­ chen Durchmesser hat, daß die äußere ringförmige Oberfläche des Innengehäuses (26, 28, 52) darin so festgelegt ist, daß das Innengehäuse in bezug auf den Um­ hüllungsring (36) in vorbestimmten Berstsituationen verdreht wird.

2. Berstschutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse (26, 28, 52) in dem Außengehäuse (14) durch eine axiale Klemmkraft gesichert ist, die durch das Außengehäuse (14) und durch die nach außen gerichtete Klemmkraft des Innengehäuses gebildet ist, die durch den Fluiddruck in der Rotorkammer (30) während des normalen Betriebs der Radialturbine erzeugt wird.

3. Berstschutzsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Stifte (48), die das Innen­ gehäuse (26, 28, 52) gegenüber dem Außengehäuse (14) festlegen, wobei die Stifte (48) durch eine vorbestimmte Drehmomentkraft auf das Innengehäuse abscherbar sind.

4. Berstschutzsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine äußere Abdeckung (44), die durch einen Auslaßkanal in dem Außengehäuse (14) gebildet ist.

5. Berstschutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse (26, 28, 52) in dem Umhüllungsring (36) durch einen Pilotsitz oder Führungssitz gesichert ist.

6. Berstschutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umhüllungs­ ring (36) ein im wesentlichen undurchdringbares Material aufweist.

7. Berstschutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorbestimmte Berstsituation durch einen Drehmomentschlag eines gebrochenen Turbinenrotors (16) auf das Innengehäuse (26, 28, 52) gebildet ist.