Experimentelle Untersuchung und Optimierung von Bürstendichtungen für flexible Betriebsweisen
von Philip ReggentinAus der zunehmend flexibleren Betriebsweise konventioneller Kraftwerke ergibt sich für die Turbinen die Forderung nach einer Optimierung für wechselnde Lasten und Teillastbetrieb. Ein Ansatz zur Erreichung dieses Ziels ist die Weiterentwicklung der Dichtungstechnologien.
Ein hohes Potenzial zeigt die geklemmte Bauart der radial-adaptiven Bürstendichtung, die sich über die axiale Anstellung des Borstenpaketes für die Anwendung bei hohen oder niedrigen Druckdifferenzen optimieren lässt. Allerdings sind Dichtungen geringer axialer Anstellung bei niedrigen Druckdifferenzen empfänglich für ein instabiles Verhalten in Form von schädlichen Schwingungen des Borstenpaketes, obwohl diese für hohe Druckdifferenzen überlegene Eigenschaften zeigen.
Mit dem Ziel, das Verständnis über das instabile Verhalten gering angestellter Bürstendichtungen zu verbessern, werden diese an einem Prüfstand mit Druckluft näher untersucht. Dabei werden Frequenz und Amplitude sowie das Schwingungsmuster anhand von High-Speed Videoaufnahmen bei variierenden Druckdifferenzen und Drehzahlen analysiert. Die Dichtungen zeigen für Δp < 1 bar ein Maximum für die Intensität des instabilen Verhaltens. Für gesteigerte Druckdifferenzen nähern sich die Schwingfrequenzen einem vom Druck unabhängigen Wert an, der mit den individuellen Borstendurchmessern korreliert. Für unterschiedliche Drehzahlen konnte kein Einfluss beobachtet werden.
Um für flexible Betriebsweisen die positiven Eigenschaften hoch und niedrig angestellter Bürstendichtungen zu vereinen und gleichzeitig die schädlichen Borstenpaketschwingungen auszuschließen, wird eine neuartige Bürstendichtung mit druckausgelenkter Rückplatte (PABS) untersucht. Bei Versuchen mit Druckluft zeigt das neue Konzept im Vergleich zum konventionellen Dichtungsdesign eine Reduktion des instabilen Verhaltens um bis zu 92% und der Leckage um bis zu 40%. Die Untersuchung an einem Heißdampfprüfstand kann die Funktionalität unter realitätsnahen Bedingungen demonstrieren. Dabei zeigt das neue Konzept insbesondere für Exzentrizitäten ein vorteilhaftes Verhalten.
Mit dem Ziel der Vermeidung von Borstenpaketschwingungen werden weiterhin Dichtungen geringer axialer Anstellung mit angepassten Frontplattengeometrien untersucht. Die Bewertung der Wirksamkeit erfolgt anhand der Methoden zur Analyse der Borstenschwingungen sowie der resultierenden Leckage. Den besten Effekt zeigt die Kombination aus einer perforierten Frontplatte und einem reduzierten axialen Abstand zwischen Frontplatte und Borstenpaket. Für diese Variante kann eine annähernd vollständige Unterdrückung des instabilen Verhaltens beobachtet werden. Gleichzeitig ist der positive Einfluss für größere Borstendurchmesser stärker ausgeprägt.
Ein hohes Potenzial zeigt die geklemmte Bauart der radial-adaptiven Bürstendichtung, die sich über die axiale Anstellung des Borstenpaketes für die Anwendung bei hohen oder niedrigen Druckdifferenzen optimieren lässt. Allerdings sind Dichtungen geringer axialer Anstellung bei niedrigen Druckdifferenzen empfänglich für ein instabiles Verhalten in Form von schädlichen Schwingungen des Borstenpaketes, obwohl diese für hohe Druckdifferenzen überlegene Eigenschaften zeigen.
Mit dem Ziel, das Verständnis über das instabile Verhalten gering angestellter Bürstendichtungen zu verbessern, werden diese an einem Prüfstand mit Druckluft näher untersucht. Dabei werden Frequenz und Amplitude sowie das Schwingungsmuster anhand von High-Speed Videoaufnahmen bei variierenden Druckdifferenzen und Drehzahlen analysiert. Die Dichtungen zeigen für Δp < 1 bar ein Maximum für die Intensität des instabilen Verhaltens. Für gesteigerte Druckdifferenzen nähern sich die Schwingfrequenzen einem vom Druck unabhängigen Wert an, der mit den individuellen Borstendurchmessern korreliert. Für unterschiedliche Drehzahlen konnte kein Einfluss beobachtet werden.
Um für flexible Betriebsweisen die positiven Eigenschaften hoch und niedrig angestellter Bürstendichtungen zu vereinen und gleichzeitig die schädlichen Borstenpaketschwingungen auszuschließen, wird eine neuartige Bürstendichtung mit druckausgelenkter Rückplatte (PABS) untersucht. Bei Versuchen mit Druckluft zeigt das neue Konzept im Vergleich zum konventionellen Dichtungsdesign eine Reduktion des instabilen Verhaltens um bis zu 92% und der Leckage um bis zu 40%. Die Untersuchung an einem Heißdampfprüfstand kann die Funktionalität unter realitätsnahen Bedingungen demonstrieren. Dabei zeigt das neue Konzept insbesondere für Exzentrizitäten ein vorteilhaftes Verhalten.
Mit dem Ziel der Vermeidung von Borstenpaketschwingungen werden weiterhin Dichtungen geringer axialer Anstellung mit angepassten Frontplattengeometrien untersucht. Die Bewertung der Wirksamkeit erfolgt anhand der Methoden zur Analyse der Borstenschwingungen sowie der resultierenden Leckage. Den besten Effekt zeigt die Kombination aus einer perforierten Frontplatte und einem reduzierten axialen Abstand zwischen Frontplatte und Borstenpaket. Für diese Variante kann eine annähernd vollständige Unterdrückung des instabilen Verhaltens beobachtet werden. Gleichzeitig ist der positive Einfluss für größere Borstendurchmesser stärker ausgeprägt.