Autor: Markus Raben

Als Resultat umfangreicher Entwicklungen in den letzten Jahrzehnten finden Bürstendichtungen, als Alternative zu konventionellen Labyrinthdichtungen, vermehrt Anwendung in Flugantrieben, wie auch in stationären Gas- und Dampfturbinen. Beim Einsatz der Bürstendichtungen ist ein Anstreifen des Borstenpakets auf der Rotoroberfläche als Folge der Relativbewegungen zwischen Rotor und Stator im Betrieb nicht auszuschließen. Die erzeugte Reibwärme im Kontaktbereich nimmt Einfluss auf die Haltbarkeit der Dichtungen und die Stabilität des Rotorsystems. Eine bis heute nicht abschließend geklärte Fragestellung ist die Quantifizierung der Reibwärme, insbesondere unter hohen axialen Druckdifferenzen, wie sie in Hoch- und Mitteldruckdampfturbinen vorkommen. Eine präzise Abschätzung der Reibleistungen und der Aufteilung der Wärmeströme in Abhängigkeit unterschiedlicher Betriebsbedingungen und unterschiedlicher Bauarten der Dichtungen ist, aufgrund fehlender Untersuchungsergebnisse, bisher nur unter vereinfachenden Annahmen möglich. Daher ist es Ziel dieser Arbeit, experimentelle Daten für die Abschätzung der Reibleistung unter für Dampfturbinen typischen Betriebsparametern bereitzustellen. Hierzu wurden experimentelle Anstreifuntersuchungen mit Bürstendichtungen unter Heißdampfbeaufschlagung, bei unterschiedlichen Differenzdrücken und Drehzahlen, wie auch variierenden Rotor-Stator-Exzentrizitäten, durchgeführt. Zur Betrachtung der Reibwärmeerzeugung wurde ein neues Rotorkonzept mit integrierten Temperaturmessstellen innerhalb der Laufflächen der Bürstendichtungen für den Heißdampfdichtungsprüfstand des Instituts für Flugantriebe und Strömungsmaschinen (IFAS) der TU Braunschweig entwickelt. In den Versuchen wurden ausgewählte Bürstendichtungen mit unterschiedlichen Designmerkmalen in unterschiedlicher Anordnung über einem Zeitraum von mehreren hundert Betriebsstunden unter transienten Versuchsbedingungen untersucht. Begleitende Untersuchungen an der institutseigenen Mess- und Prüfeinrichtung gaben Aufschluss über die Borstenpaketsteifigkeiten und den Verschleiß der untersuchten Bürstendichtungen. Aus den Anstreifversuchen ging eine mit zunehmender Überdeckung, bei gleichbleibender Druckdifferenz, zunehmende Reibleistung der Bürstendichtungen und eine zunehmende Rotorerwärmung hervor. Mit Steigerung des Differenzdrucks konnte, bei gleichem Exzentrizitätsniveau, allgemein eine höhere Reibleistung als Folge der Druckversteifung der Borstenpakete, sowie eine höhere Rotorerwärmung nachgewiesen werden. In Abhängigkeit der unterschiedlichen Designparameter der Bürstendichtungen und der unterschiedlichen Steifigkeiten der Borstenpakete wurden unter gleichen Versuchsrandbedingungen Unterschiede in den Temperaturentwicklungen aufgezeigt. Mit der Gegenüberstellung der Ergebnisse der untersuchten Tandemanordnungen konnte dargestellt werden, dass eine höhere Elastizität des Borstenpakets zu einer gleichmäßigeren und höheren Rotorerwärmung führt.

Als Resultat umfangreicher Entwicklungen in den letzten Jahrzehnten finden Bürstendichtungen, als Alternative zu konventionellen Labyrinthdichtungen, vermehrt Anwendung in Flugantrieben, wie auch in stationären Gas- und Dampfturbinen. Beim Einsatz der Bürstendichtungen ist ein Anstreifen des Borstenpakets auf der Rotoroberfläche als Folge der Relativbewegungen zwischen Rotor und Stator im Betrieb nicht auszuschließen. Die erzeugte Reibwärme im Kontaktbereich nimmt Einfluss auf die Haltbarkeit der Dichtungen und die Stabilität des Rotorsystems. Eine bis heute nicht abschließend geklärte Fragestellung ist die Quantifizierung der Reibwärme, insbesondere unter hohen axialen Druckdifferenzen, wie sie in Hoch- und Mitteldruckdampfturbinen vorkommen. Eine präzise Abschätzung der Reibleistungen und der Aufteilung der Wärmeströme in Abhängigkeit unterschiedlicher Betriebsbedingungen und unterschiedlicher Bauarten der Dichtungen ist, aufgrund fehlender Untersuchungsergebnisse, bisher nur unter vereinfachenden Annahmen möglich. Daher ist es Ziel dieser Arbeit, experimentelle Daten für die Abschätzung der Reibleistung unter für Dampfturbinen typischen Betriebsparametern bereitzustellen. Hierzu wurden experimentelle Anstreifuntersuchungen mit Bürstendichtungen unter Heißdampfbeaufschlagung, bei unterschiedlichen Differenzdrücken und Drehzahlen, wie auch variierenden Rotor-Stator-Exzentrizitäten, durchgeführt. Zur Betrachtung der Reibwärmeerzeugung wurde ein neues Rotorkonzept mit integrierten Temperaturmessstellen innerhalb der Laufflächen der Bürstendichtungen für den Heißdampfdichtungsprüfstand des Instituts für Flugantriebe und Strömungsmaschinen (IFAS) der TU Braunschweig entwickelt. In den Versuchen wurden ausgewählte Bürstendichtungen mit unterschiedlichen Designmerkmalen in unterschiedlicher Anordnung über einem Zeitraum von mehreren hundert Betriebsstunden unter transienten Versuchsbedingungen untersucht. Begleitende Untersuchungen an der institutseigenen Mess- und Prüfeinrichtung gaben Aufschluss über die Borstenpaketsteifigkeiten und den Verschleiß der untersuchten Bürstendichtungen. Aus den Anstreifversuchen ging eine mit zunehmender Überdeckung, bei gleichbleibender Druckdifferenz, zunehmende Reibleistung der Bürstendichtungen und eine zunehmende Rotorerwärmung hervor. Mit Steigerung des Differenzdrucks konnte, bei gleichem Exzentrizitätsniveau, allgemein eine höhere Reibleistung als Folge der Druckversteifung der Borstenpakete, sowie eine höhere Rotorerwärmung nachgewiesen werden. In Abhängigkeit der unterschiedlichen Designparameter der Bürstendichtungen und der unterschiedlichen Steifigkeiten der Borstenpakete wurden unter gleichen Versuchsrandbedingungen Unterschiede in den Temperaturentwicklungen aufgezeigt. Mit der Gegenüberstellung der Ergebnisse der untersuchten Tandemanordnungen konnte dargestellt werden, dass eine höhere Elastizität des Borstenpakets zu einer gleichmäßigeren und höheren Rotorerwärmung führt.