Rotordynamische Eigenschaften von Bürstendichtungen

Ziel des Projektes

Bei der Optimierung des Wirkungsgrades von Strömungsmaschinen stellt die Reduktion von Leckageverlusten eine bedeutende Aufgabe dar. Bei Industriedampfturbinen ist momentan die Labyrinthdichtung Stand der Technik. Sie kommt in der Turbine vorwiegend an Stellen wie dem Schubausgleichskolben, den Schaufeldeckbändern sowie an Wellendurchführungen zum Einsatz. Die technischen Grenzen der Labyrinthdichtung liegen aber in der Empfindlichkeit gegen Anstreifvorgänge zwischen den rotierenden Teilen, die immer eine gewisse Spaltbreite und einen damit verbundenen Leckageverlust bedingt.

Eine gute Alternative stellen Bürstendichtungen dar. Sie bestehen aus einem Paket aus feinen Drähtchen, die in einem definierten Legewinkel angeordnet sind. Die Bürstendichtung verfügt über eine deutlich bessere Dichtwirkung bei geringerem Platzbedarf. Das überlegene Leckageverhalten dieser Dichtungsart ist hinreichend bekannt, Forschungsbedarf besteht noch bei ihrer Auswirkung auf das rotordynamische Verhalten der Dampfturbine. Im Zentrum der Untersuchungen steht die Ermittlung von Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten von Bürstendichtungen sowie die Untersuchung aerodynamischer Kräfte mit destabilisierender Wirkung. Die gewonnene Erkenntnis soll dazu dienen, den Einsatz von Bürstendichtungen im Kraftwerksturbinenbereich ohne Stabilitätsprobleme zu ermöglichen.

Methoden

Am Lehrstuhl für Energiesysteme stehen 2 Versuchsstände zur Untersuchung von Turbinendichtungen unter statischen und dynamischen Arbeitsbedingungen zur Verfügung: Der statische Versuchsstand ermöglicht die messtechnische Erfassung der Umfangsdruckverteilung in den Dichtkammern bei unterschiedlichen Rotorexzentrizitäten und Drehzahlniveaus. Die Luftversorgung des Prüfstandes erlaubt auch eine Variation der Versorgungsluftparameter wie Druckgefälle und Drall. Durch die Integration der Umfangsdruckverteilung erhält man schließlich die Steifigkeitskoeffizienten der Dichtungsanordnung.

Der dynamische Versuchsstand ermöglicht neben der Bestimmung der Steifigkeitskoeffizienten die Ermittlung der Dämpfungskoeffizienten. Diese werden durch die Anregung des Rotorsystems mittels eines Magnetlagers und der in der Dichtung wirkenden aerodynamischen Kräfte bis hin zur Stabilitätsgrenze experimentell gewonnen. Die in tangentiale und radiale Richtung wirkenden Magnetlagerkräfte können direkt aus dessen Kalibrierkurve bestimmt werden. Die Differenz zwischen Messungen mit und ohne Luftversorgung liefert den eigentlichen Einfluss des getesteten Dichtungssystems.

Parallel zur experimentellen Ermittlung der rotordynamischen Eigenschaften befindet sich ein theoretisches Modell zur Vorhersage von Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten in der Entwicklung. Dieses basiert auf einem dreidimensionalen CFD Modell der zu untersuchenden Dichtung. Das Borstenpaket der Dichtung wird in der Simulation als poröses Medium behandelt. Ziel ist hier die Schaffung eines CFD Programms zur Bestimmung der Leckage und der rotordynamischen Eigenschaften einer Bürstendichtung

Weitere Informationen

Verantwortlicher Mitarbeiter:

Dipl.-Ing. Manuel Gaszner

Dr. Alexander Pugachev

Website der Forschungsinitiative: Link