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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.
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Labyrinth seal for rotating machine parts, especially on steam and gas turbines.
The invention relates to a labyrinth seal for rotating machine parts, in particular on steam and gas turbines. If an effective seal is to be achieved with such labyrinth seals, the play between the stationary and the rotating part must be very small. On the other hand, there should not be excessive rubbing between these parts in any operating condition, since the heat generated in such a case would lead to impermissible changes and relocations of other parts, which could give rise to serious operational disruptions. Rubbing
Labyrinth spikes on metallic counterparts, or from moving pieces of carbon on turbine shafts, e.g.
B., also causes wear of the prongs, a digging of grooves in the rotating ones
Part, a heating of the cans u. like
Labyrinth seals with fixed, multi-part carbon rings have already been built, in which either prongs which form a continuous screw or saw-like cutting edges are provided on the rotating part. If a strip occurs in such seals, parts of the carbon ring are cut away or the inner surface of the ring is scraped off by a certain amount over its entire circumference, so that when normal operating conditions are re-established there is much greater play than immediately after the assembly Stuffing box what the
Effectiveness of the seal significantly deteriorated.
The purpose of the present invention is to create a labyrinth seal of the type mentioned at the beginning with fixed, multi-part carbon rings, in which the good seal that can be achieved immediately after the assembly of the seal is practically permanently maintained. For this purpose, the labyrinth stuffing box according to the invention is ring-shaped, which is to be sealed with the
Turn the machine part, built into the coal rings with practically no play, from which they are at a faster rate
Thermal expansion of the rotating parts as the non-rotating parts dig grooves. These
Grooves are deepened by any knocking out of the rotating parts, but the throttling effect required by the combs remains practically permanently unchanged despite these grooves.
In the drawing, embodiments of the subject matter of the invention are shown, for example, in all cases, for the sake of simplicity, only one stationary carbon ring is drawn.
It shows: FIG. 1 an axial section through part of a labyrinth seal, the carbon ring of which is installed in the non-rotating part in a radially immovable manner. Fig. 2 shows an axial section through part of a labyrinth seal, the carbon ring of which is radially supported by springs
Segments composed. 3 and 4 show, on a larger scale, various shapes of grooves as they are excavated from the non-rotating coal ring by the rotating, annular ridges. 5 and 6 are axial sections through two further embodiments in which the annular ridges are made of a building material which has a greater coefficient of thermal expansion than the building material of the rest of the rotating part of the seal. Finally, FIG. 7 shows the mode of operation of the embodiment according to FIG. 6 on a larger scale.
In Fig. 1, 1 denotes the shaft to be sealed of a machine, for example a steam or
Gas turbine. A sleeve 2 is rotatably connected to the shaft 1 and is annular on the outer circumference
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Has prongs or ridges of different lengths. 5 denotes a piece of a multi-part ring, which is otherwise not shown, which is installed in a non-rotating part 6 (housing, guide wheel base and the like) of the machine. The ring has grooves 7 on its inner circumference, into which the longer ridges 4 of the sleeve 2 protrude. The shorter combs 3 come to lie opposite the annular surfaces of the ring 5. The parts 2 and 5 together with the annular combs. 3 and 4, the grooves 7 and the surfaces 8 a labyrinth stuffing box.
The mentioned ring 4 is made of carbon and the sleeve S is made of a metal, the hardness of which is in any case much greater than that of the carbon.
The annular combs 3 and 4 are built into the non-rotating carbon ring with practically no play. If the combs 3 and 4 of such a stuffing box touch the opposite surface of the pieces 5 of the coal ring for any reason, they simply dig grooves out of the coal ring. The shape of the excavated grooves depends on the cause of the streaking. Stretch see z. B. the. rotating parts of the stuffing box are stronger than the carbon ring only in the radial direction
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the parts are still deepened.
During normal operation, the outer end of the combs 3, 4 lies against the deepest point of such grooves 9, or the end of the combs 3, 4 protrudes at least so far into the grooves 9 that the combs cause a strong deflection and thus a strong throttling of work or Funding is effected, which seeks to escape through the stuffing box. Fig. 3 shows the
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Parts have cooled down again.
Since the combs 3, 4 of the sleeve 2 can easily dig into the pieces 5 of the carbon ring, they are not attacked in the slightest when stripping, which is important for the permanent maintenance of the game, which can even be pushed down to zero. In addition, impermissible heating is avoided when stripping. With regard to the shaft 1, the latter is important because excessive heating of the shaft causes it to bend and, associated therewith, to severe blade fractures, bearing damage and the like. Like. Can lead.
Inadmissible heating of the shaft is prevented even in cases where, for whatever reason, stronger heat generation should take place at the grazing points, since the combs 3, 4 are so long and thin that the propellant or rinsing the shaft
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Heat transfer from the grazing points to the sleeve 2 and from this to the shaft 1 can take place. The shaft therefore remains completely unaffected, so that the machine can be started at any time.
If the rotating parts of the stuffing box expand more in both the radial and axial directions than the carbon ring, the ridges 3, 4 dig grooves 12 of the shape shown in FIG.
The combs 3, 4 move first to the right when they are heated and, after the start-up period, move again slightly to the left along the inclined surface 13, but they constantly rest tightly against the inclined surface 13. In Fig. 4, the parts are shown in the position that they assume after the steady state has set in operation. The grooves 12 have, in cross section, as shown, the shape of an oblique triangle.
Should the outer end of the combs 3, 4 no longer lie tightly against the surface 13 because another groove has been excavated due to failure of the rotating parts, a good labyrinth effect is nevertheless achieved, since the ends of the protruding into the grooves 12 Comb 3, 4 even in this case still a strong deflection and throttling of that to be escaped
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remains practically permanently unchanged.
The embodiment shown in FIG. 2 differs from the one shown in FIG. 1 in that the piece of coal 5 is not inserted into the machine part 6 in a radially immovable manner, but is supported radially by a spring 11.
In the embodiments shown in FIGS. 5 and 6, which differ from one another only in that in FIG. 5 the generatrix 16 of the inner surface of the carbon piece 5 is parallel to the shaft axis, while in FIG. 6 the generatrix 17 is inclined to that axis, the combs consist of annular disks 14 which are held between spacer rings 15. The latter are connected to the rotating machine part in a manner not shown. The ring disks 14 consist of a building material whose coefficient of expansion is greater than that of the building material of the machine parts between which the seal has to be made, so that these ring disks, which are built into the carbon ring with practically no play, expand the most when the machine is heated and therefore dig into the carbon ring of the labyrinth seal.
In the case of the design according to FIG. 5, annular grooves are excavated, and in the case of a design according to FIG. 6, grooves 18 (FIG. 7) with a triangular cross-sectional shape are excavated. In FIG. 7, the annular disks 14 are shown in solid lines in the position they assume in the cold state of the labyrinth seal, while the dashed lines show their position in the normal operating state. As a result of the inclination of the line 17, when the ring washers 14 are moved to the right, deeper grooves 18 are excavated. than in the case where the generatrix of the inner surface of the carbon pieces 5 is parallel to the shaft axis. This also results in a relatively long path 19 (FIG. 7) along which an extremely effective throttling takes place.
This effect remains during the
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Operation practically permanently maintained unchanged, since the line 19 is effective in an unchanged manner even after the parts have been knocked out.
In all cases, it must be ensured in a manner known per se that the various segments of a carbon ring always touch the radial separating surface, i.e. do not gape at the joint surfaces. In the case of horizontal waves, z. B. special suspension devices for the lower half of the ring or special support springs, such. B. one shown in Fig. 2 can be provided.
If necessary, additional sealing means can also be provided at the joint between the segments.
If the generatrix of the inner surface of the carbon ring is inclined to the axis of the rotating part, as in the case of the embodiment according to FIG. 6, the radial play between the rotating and stationary part of the labyrinth seal can, if desired, be changed by one or the other these parts is arranged axially adjustable.
The invention can be applied analogously to any number of carbon rings.
It does not matter whether the rotating part rotates around a horizontal, vertical or inclined axis. Instead of coal, it is also possible to use other substances which are equivalent to it in terms of the physical properties which are decisive for achieving the purpose sought by the invention.
The carbon labyrinth stuffing box according to the invention is particularly suitable for very high pressures and very high temperatures because a good seal can be achieved with a relatively small number of combs and carbon is insensitive to high temperatures. In some of the embodiments described, it is possible to manage entirely without springs, which is important because, as is known, springs can easily give rise to malfunctions at high temperatures. As a result of the good sealing, turbine shafts in the area of the hoist wheel bearing are also protected from high temperatures, which further contributes to increasing operational reliability.
The permissible, very small play also allows the high-pressure stuffing box to be kept relatively short, whereby the bearing distance becomes smaller, which in turn allows the shaft diameter to be kept somewhat smaller and, mainly due to the smaller mass of the rotor, to increase the operational reliability.
Furthermore, this labyrinth stuffing box offers the advantage that replacement parts (exactly the same carbon segments 5 or ring disks 14) can be kept in stock, and that only short interruption times are to be accepted if such replacement parts are installed. The spare parts can be installed by any locksmith without special instruction.
PATENT CLAIMS:
1. Labyrinth seal for rotating machine parts, in particular on steam and gas turbines, with fixed, multi-part carbon rings which, together with circumferential combs, limit a throttle gap extending essentially in the axial direction of the rotating machine part, characterized in that the practically no play in the Combs (3, 4) mounted in coal rings (5) together with the walls of grooves (9 or 12), which these combs themselves have dug out of the coal rings (5), produce a throttling effect that remains practically unchanged over the long term.