Bauteil 123: Wellendichtung

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Bauteil 123: Wellendichtung

Vorgaben

Da das Bauteil eine Wellendichtung darstellt, enthält es auch Anschlüsse für die Wellenverbindungen, deren Werte jedoch einfach durchgeleitet werden. Die Gleichungen gelten für alle gasförmigen Medien. Daher ist die Anwendung dieses Bauteils nicht auf Dampf beschränkt.

Leitungsanschlüsse
1	Eintritt Leckage
2	Austritt Leckage
3	Eintritt Welle
4	Austritt Welle

Allgemeines Vorgabewerte Verwendete Physik Bauteilform Beispiel

Allgemeines

Das Bauteil Wellendichtung dient zur Modellierung von Dampf-Leckagen an den Wellendurchführungen der Dampfturbine. Im Auslegungsmodus können wahlweise Geometriedaten und Druckdifferenzen (mit Berechnung der resultierenden Leckagemengen) oder die Leckagemengen (mit Berechnung der dazugehörigen Dichtungscharakteristik) vorgegeben werden. Im (Teillast-) Simulationsmodus werden die Leckagemengen als Funktion der Dichtungscharakteristik und der aktuellen Druckdifferenz als treibendes Gefälle berechnet.

Massenstromumkehr kann berechnet werden, wenn Pout > Pin (FDIR=1).

In der Energiewirtschaft werden aufgrund der sehr hohen Temperaturen und der hohen Drehzahlen in Dampf- und Gasturbinen nach wie vor die klassischen berührungsfreien Labyrinthdichtungen als Wellendichtungen verwendet.

Ein paar typische Bauformen finden sich in den nachstehenden Bildern (Lit. 3)

Vorgabewerte

FMODE	Schalter Berechnungsmodus =0: GLOBAL = 1: lokale Teillast (d.h. immer Teillast-Modus, auch wenn global eine Auslegungsrechnung durchgeführt wird) =-1: Lokale Auslegung
FSPEC	Schalter für die Spezifikation des Auslegungsmodus: =0: Massenstrom (M1N gegeben) =1: Geometrie gegeben =2: Massenstrom von außen gegeben
FDIR	Schalter für die Durchflussrichtung: =0: Keine Stromumkehr erlaubt =1: Erlaube Stromumkehr
FIDENT	Schalter für Bauteil-Identifikationsmethode =0: keine Identifikation =1: Identifizierung des Durchflusses
FLAB	Schalter für den Leckage-Verlust Gleichungen =0: Formulierung nach Martin =1: Formulierung nach Egli
M1N	Massenstrom (nominal)
NTEETH	Anzahl der Zähne
CFLOW	Dichtungsstromfaktor
DIAM	Wellendurchmesser
CLEARANCE	Abstand
PF	Leckagefaktor
CAN	C*A Wert (nominal)

Die blau markierten Identifikationswerte sind Referenzwerte für den Teillastmodus. Diese Werte werden für die in den jeweiligen Gleichungen verwendeten Ist-Teillastwerte herangezogen. Wenn es sich bei diesen Identifikationswerten um Stromdaten handelt, werden diese Werte häufig von angeschlossenen Rohrleitungen oder berechneten Werten bezogen.

Generell sind alle sichtbaren Eingaben erforderlich. Häufig werden jedoch Standardwerte zur Verfügung gestellt.

Für weitere Informationen über die Farbe der Eingabefelder und ihre Beschreibungen siehe Komponenten bearbeiten\Vorgabewerte

Für weitere Informationen über Auslegung vs. Teillast und Nominalwerte siehe Allgemeines\Nominalwerte übernehmen

Verwendete Physik

Berechnung des Leckagestroms

Die Berechnungsmethode des Leckagestroms geht auf die Arbeiten von Martin (Lit. 1) und Egli (Lit. 2) zurück.

Der Leckagestrom kann wie folgt definiert werden:

(Gl. 1)

(Gl. 2)

(Martin (Lit.1 )) (Gl. 3a)

(Martin (Lit. 2)) (Gl. 3b)

(Gl. 4)

(Gl. 5)

Die oben genannten Formeln gelten für:

(Gl. 6)

(Gl. 7)

Ist das Druckverhältnis unter dem kritischen Druckverhältnis, so bleibt der Durchfluss konstant mit dem Wert, der dem Durchfluss beim kritischen Druckverhältnis entspricht.

Zur Bestimmung des kritischen Druckverhältnisses gilt folgendes:

(Gl. 8)

Löst man diese Gleichung, so erhält man:

(Gl. 9)

Bei der Funktion LambertW() ist jener Ast zu wählen, der eine Lösung im Intervall

ergibt. Folgende Grafik (Abb. 1) zeigt b mit der Formulierung nach Martin (Gl. 2, Gl. 3a, Lit. 1)

Abb. 1: Labyrinthfaktor entsprechend Gl. 1 unter Verwendung der Formulierung nach Martin (K=1)

Berechnung in EBSILON

Zieht man Gl. 1 mit Gl. 2 zusammen und setzt für

(Gl. 10)

so erhält man:

(Gl. 11)

Für die Anwendung des Bauteils in der Gütegradanalyse sollte noch ein Leckagefaktor vorgesehen werden, dessen Wert im Auslegungsfall 1 ist.

(Gl. 12)

Der Leckagefaktor drückt also die Verschlechterung der Dichtung gegenüber dem Ausgangszustand als Verhältnis der Leckageströme unter gleichen Verhältnissen aus.

Weiters kann man alle Geometriedaten zum Faktor C*A zusammenziehen

(Gl. 13)

(Gl. 14)

1. Design

Im Designmodus kann man entweder die geometrischen Dimensionen vorgeben, und EBSILON berechnet und C*A, oder man wählt und das Programm berechnet C*A nach Gl. 14. Der Leckagefaktor wird im Designmodus ignoriert (PF=1).

Die Anzahl der Verengungen ist immer ein Eingabewert. Diese kann beim Vorhandensein von genügend Daten (mehrere Lastfälle) unter Zuhilfenahme der Abb. 1 abgeschätzt werden, da diese die Kurvenform entscheidend beeinflussen. Ansonsten muss sie angenommen werden.

2. Off-Design

Im Off-Design-Modus sind die Nominalwerte für CA und n festgelegt, und der Leckagestrom wird nach Gl. 14 berechnet.

Literatur

(1) Martin, H. M., "Steam Turbines”, The Engineer, London, 1913, p. 1610

(2) A. Egli, "The Leakage of Steam Through Labyrinth Seals” , Transactions American Society of Mechanical Engineers, Paper FSP-57-5, 1935

(3) EPRI Report, ”Replacement Interstage Seals for Steam Turbines”. EPRI, Palo Alto, CA: 2005. 1010214., http://mydocs.epri.com/docs/public/000000000001010214.pdf

(4) Andreas Matthias, ”Das Durchflussverhalten von Labyrinthdichtungen”, Dissertation TU-Wien, 1997, http://publik.tuwien.ac.at/files/pub-mb_5718.pdf

(5) Heinz K. Müller, ”Drosseldichtungen für Gase”, www.fachwissen-dichtungstechnik.de, Kapitel 17 (http://www.fachwissen-dichtungstechnik.de/Kapitelseiten/Kapitel17.html )

(6) Walter Traupel, ”Thermische Turbomaschinen”, Band 1, Kapitel 10, Springer Verlag, 4. Auflage