Untersuchung des Konzepts einer flexiblen Labyrinthdichtung für den Einsatz als Deckbanddichtung unter den Aspekten Leckage und Anstreiftoleranz
Creators: name: Herrmann, Nico
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: adaptive Dichtung
Labyrinthdichtung
Verschleiß
Reibverschleiß
Simulation Verschleiß
Turbomaschinen
Dampfturbinen
Deckbanddichtung
flexible Dichtung
anstreiftolerante Dichtung

description: Durch die bevorzugte Einspeisung von elektrischer Energie, die aus regenerativen Quellen gewonnen
wird, ergeben sich neue Herausforderungen in Bezug auf Stabilität und Regelung der
Stromnetze. Um die Netzstabilität gewährleisten zu können, müssen herkömmliche Kraftwerke
in die Lage versetzt werden, ihre Leistungsabgabe schnell und effizient zu regeln. Höhere Zyklenzahlen
bei An- und Abfahrvorgängen sowie dynamischere Lastgradienten sind die Folge
und müssen bei der Auslegung von Dampf- oder Gasturbinen berücksichtigt werden.
Vor diesem Hintergrund kommt den Dichtungen zwischen Gehäuse und rotierenden Teilen eine
besondere Bedeutung zu, da an diesen Bauteilen die Relativverschiebungen zwischen Rotor und
Stator toleriert werden müssen. In den letzten Jahren haben daher flexible Dichtungen mit einer
möglichst hohen Toleranz gegen radiale und axiale Versätze ein gesteigertes Interesse erfahren.
In Kap. 2 wurden bestehende Lösungen und Lösungsansätze für diese Aufgabenstellung vorgestellt.
Allen gemein ist eine gesteigerte radiale Flexibilität, die eine verbesserte Toleranz
gegenüber Relativverschiebungen zwischen Rotor und Stator mit sich bringt. Die spezifischen
Vor- und Nachteile für den Einsatz als Deckbanddichtung wurden für die bekanntesten Vertreter
dieser flexiblen Dichtungen, wie Bürsten-, Finger- und Lamellendichtungen diskutiert. Dabei
haben sich vor allem die Herstellungskosten, Einflüsse auf die Rotordynamik sowie fehlende
Erfahrungen im Langzeiteinsatz als größte Nachteile herausgestellt. Zudem sehen sich speziell
Dampfturbinenhersteller in einem durchaus konservativen Markt, der auf Grund der langen
Revisionsintervalle und extrem hoher Ausfallkosten, Innovationen nur langsam annimmt. Als
Alternative zu den genannten Konzepten wird in Kap. 3 die Idee einer flexiblen Labyrinthdichtung,
bestehend aus gekrümmten und segmentierten Dichtstreifen (kurz GSD), erläutert.
Sie soll die Vorteile einer Labyrinthdichtung, wie Kosteneffizienz, Robustheit und einfacher
Aufbau mit den Vorteilen einer flexiblen Dichtung vereinen. So soll die erhöhte radiale Flexibilität
eine Reduktion des Dichtspalts ermöglichen, ohne dabei einen vorzeitigen Ausfall
durch verschlissene Dichtspitzen zu riskieren. Der kleinere Dichtspalt würde die Leckage im
Vergleich zu Labyrinthdichtungen deutlich reduzieren. Ein weiterer Vorteil dieses Konzepts liegt
in der adaptiven Anpassung der Spaltweite in Abhängigkeit des Druckgradienten. Gerade in
den Phasen des An- und Abfahrens einer Dampfturbine, in denen große Relativbewegungen
zwischen Stator und Rotor auftreten, bringt eine vergrößerte Spaltweite Vorteile. Das Konzept
ist drehrichtungsunabhängig applizierbar und verspricht auf Grund seines einfachen Aufbaus aus
kleinen Metallblechen eine Kostenersparnis gegenüber Finger- und Bürstendichtungen.
Das Ziel dieser Arbeit ist eine Beurteilung des Konzepts einer Labyrinthdichtung mit flexiblen
Dichtelementen anhand experimenteller und numerischer Untersuchungen, mit Hinblick auf die
mögliche Leckagereduktion und den zu erwartenden Verschleiß durchzuführen.
Für den experimentellen Teil wurden zunächst zwei Prototypen einer Dichtung mit gekrümmten
segmentierten Dichtstreifen entwickelt (vgl. Kap. 5.1). Mit diesen Prototypen wurden an einem
neu errichteten Prüfstand (Kap. 5.2) experimentelle Daten zur Leckage und zum Verschleißverhalten
bei Anstreifvorgängen generiert. Um eine Einordnung dieser Ergebnisse zu ermöglichen,
wurde als Referenzfall eine bewährte Labyrinthdichtungskonfiguration gewählt.
Um detailliertere Erkenntnisse zum Verschleiß und den Optimierungsmöglichkeiten einer GSD
zu erhalten, ergänzten numerische Verfahren die experimentellen Untersuchungen. Hierfür musste
zuerst eine Simulationsmethodik entwickelt werden (vgl. Kap. 6), mit der sich die Leckage
einer GSD mit der einer herkömmlichen Labyrinthdichtung vergleichen lies. Dabei wurde neben
der Leckage auch der Verschleiß berücksichtigt. Die Modellierung des Verschleißes und die
Simulation der Anstreifvorgänge stellten dabei eine besonderer Herausforderung dar. In der Literatur
fand sich bisher kein Ansatz der die Leckage von Dichtungen sowohl im Nominalzustand
als auch im verschlissen Zustand berücksichtigte. Die bei der Verschleißsimulation eingesetzten
Modelle wurden anhand experimenteller Daten kalibriert. Hierfür wurden Anstreifversuche an
einfachen Verschleißproben durchgeführt und Koeffizienten für den Materialabtrag sowie die
Reibung und die Wärmeübergänge abgeleitet. Nach der Validierung dieser Vorgehensweise in
Kap. 6.2.2 wurden die Modelle eingesetzt, um in Kap. 7 optimierte Varianten einer GSD unter
verschiedenen Einsatzbedingungen numerisch zu untersuchen.
Verschleiß an Dichtungen führt in der Regel zu einer Vergrößerung des Dichtspalts. Hierbei
spielen zwei Effekte eine entscheidende Rolle. Zum einen wird Material an der Dichtspitze
abrasiv abgetragen. Zum andern wird durch die Reibung die Dichtspitze so stark erhitzt, dass
die Belastungen die Fließgrenze des Materials übersteigen und eine plastische Verformung der
Dichtspitzen bewirken. Mit den experimentellen Verschleißversuchen konnte gezeigt werden,
dass ein Zusammenhang zwischen Steifigkeit und Umformgrad besteht. Während an den starren
Dichtstreifen in Kap. 5.3.1 deutliche Geometrieänderungen in Form von aufgepilzten Spitzen
beobachtet wurden, fanden im Fall der flexiblen Dichtstreifen auf Grund der niedrigen Kontaktspannungen
und Temperaturen keine Umformung statt. Der Verschleiß wurde hier ausschließlich
durch einen Materialabtrag hervorgerufen.
Die Verformung der starren Dichtspitze bringt, neben dem vergrößerten Dichtspalt, einen weiteren
Nachteil mit sich. Denn durch die Abrundung wird die Einschnürung der Strömung unterhalb
der Dichtspitze verringert und bedingt einen zusätzlichen Verlust an Dichtwirkung. Im Fall
der flexiblen Dichtstreifen wirkte sich der Materialabtrag weniger negativ aus, da hier die ursprüngliche
Spitzenform weitestgehend erhalten blieb und lediglich eine Verkürzung auftrat (vgl.
Kap. 5.3.2). Insgesamt fiel der Verschleiß an den GSD deutlich niedriger aus als an den starren
Dichtstreifen. Daraus folgte eine nahezu unveränderte Leckage mit flexiblen Dichtungen beim
Vergleich von vor und nach den Anstreifversuchen. Die experimentellen Ergebnisse bestätigten
somit die erhöhte Verschleißtoleranz einer flexiblen Labyrinthdichtung.
Wird der nominale Dichtspalt verringert, steigt damit die Wahrscheinlichkeit einer Kollision
des Rotors mit den Dichtstreifen. Im Falle von starren Dichtstreifen wird das Dichtspiel in der
Regel so ausgelegt, dass es zu keinem Zeitpunkt zu einem Kontakt kommt. Dadurch ergeben
sich relativ hohe Leckagen, die mit einem verkleinerten Dichtspiel verringert werden könnten.
Zwar unterliegen auch flexible Dichtstreifen bei einem Kontakt mit dem Rotor einem gewissen
Verschleiß, allerdings wurde in Kap. 7.2 gezeigt, dass der Zuwachs an Verschleiß mit jedem
erneuten Kontakt abnimmt. Das Dichtspiel nähert sich über die Laufzeit asymptotisch, je nach
Lastkollektiv, einem Grenzwert. Selbst bei ungünstigen Verhältnissen kann das Dichtspiel nur
bis maximal auf den Betrag ansteigen, der auch bei starren Konfigurationen auftreten würde. Bis
dieser Zustand erreicht werden der Dichtspalt und damit die Leckage verringert.
Die Erwartungen an die gekrümmten, segmentierten und damit flexiblen Labyrinthdichtungen
konnten durch die Untersuchungen bestätigt werden. Eine Steigerung der Effizienz durch die
Reduktion der Leckageverluste sowie eine gesteigerte Toleranz gegenüber Relativverschiebungen
konnten experimentell und numerisch nachgewiesen werden. Selbst unter ungünstigen Bedingungen,
in denen ein lang andauernder Kontakt oder häufige Kontakte auftreten, blieb ein reduzierter
Dichtspalt erhalten. Durch eine optimierte Dichtspitzengeometrie mit verbreiterter Spitze, wie
sie in Kap. 7 vorgestellt wurde, konnte die Leckage auch im nominellen Zustand deutlich gesenkt
und über mehrere Anstreifkontakte gehalten werden.