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Bachelorarbeit Maschinentechnik: Entwicklung einer statischen Dichtung zur Reduktion der Sekundärleckage in Dampfturbinen

Turbineneffizienz clever erhöht

Dampfleckage hat grossen Einfluss auf die Effizienz von Dampfturbinen bei der Erzeugung von elektrischem Strom. Maschinentechnik-Absolvent Fabian Mathis hat sich diesem Problem angenommen und eine bessere Dichtung entwickelt.

Bei der Stromerzeugung bilden Dampfturbinen mit einem Anteil von etwa 70 Prozent den Hauptteil unter den eingesetzten Technologien. Sie kommen in vielen Bereichen zur Anwendung – sei es in klassischen Kohlekraftwerken oder Gas-Kombi-Kraftwerken bis hin zu solarthermischen Kraftwerken. Um auf diesem Markt gegen die Konkurrenz zu bestehen, bedarf es stetiger Verbesserung und Weiterentwicklung der Produkte. Die marktwirtschaftlich wichtigsten Punkte sind dabei Kosten und Effizienz. Höhere Effizienz reduziert den CO2-Ausstoss und die Kosten im laufenden Betrieb. In diesem Zusammenhang hat Maschinentechnik-Absolvent Fabian Mathis eine statische Dichtung für Dampfturbinen entwickelt, um sie effizienter zu machen.

Bild Dampfturbine
Fabian Mathis hat eine statische Dichtung für Dampfturbinen entwickelt.
Fabian Mathis hat eine statische Dichtung für Dampfturbinen entwickelt.

Leckage spürbar verringern

«Konstruktionsbedingt treten bei Dampfturbinen an der Welle grundsätzlich Leckagen auf», erklärt Fabian Mathis. «Bei dem von mir untersuchten Design sind es genaugenommen drei Stellen.» Diese Leckage beeinflusst den Wirkungsgrad der Turbine und nimmt so direkt Einfluss auf die Effizienz. Die Wellendichtung der Turbine muss deshalb so konstruiert werden, dass die Gesamtleckage so gering wie möglich ist. Als Wellendichtungen kommen üblicherweise sogenannte Labyrinthdichtungen zum Einsatz. Dabei sitzen die Dichtstreifen auf der Welle und auf den Dichtsegmenten. Diese Segmente sind federnd gelagert,damit beispielsweise beim Anfahren der Turbine die Dichtstreifen nicht durch Berührung mit der Welle zerstört werden. Durch diese Konstruktion ergibt sich jedoch neben der Primärleckage, die durch das Labyrinth strömt, eine Sekundärleckage, die hinter dem Segment durchströmt. «Nach heutigem Wissensstand entweicht etwa 40 Prozent der Leckage durch den Sekundärpfad», so Fabian Mathis. Eine Reduktion dieser Leckage war das Ziel seiner Bachelorarbeit, um die Gesamtleckage spürbar zu verringern und somit den Wirkungsgrad der Turbine zu steigern.

«In Hochdruckturbinen herrschen Dampftemperaturen von bis zu 620°C bei Druckverhältnissen von über 200 bar.»

Fabian Mathis

Hohe Anforderungen an Dichtung

Die Abbildung zeigt das Funktionsprinzip der Dichtsegmente.
Die Abbildung zeigt das Funktionsprinzip der Dichtsegmente.

Die Anforderungen an eine solche Dichtung sind laut Fabian Mathis klar definiert: «In Hochdruckturbinen herrschen Dampftemperaturen von bis zu 620°C bei Druckverhältnissen von über 200 bar. Um die Sekundärleckage abzudichten benötigt man eine Dichtung, die diesen extremen Bedingungen standhält und darüber hinaus die Funktion der Dichtsegmente einnimmt – insbesondere deren Flexibilität.» Das Gesamtkonzept sollte zudem einfach umsetzbar sein, um die Kosten der derzeitigen Dichtungen nicht massiv zu erhöhen. Die Dichtung sollte eine Lebensdauer von mehreren Jahren aufweisen und in der Montage und Wartung einfach zu handhaben sein. Somit war die Auswahl der Dichtungsmöglichkeiten von Anfang an stark eingeschränkt. Fabian Mathis' Wahl fiel schliesslich auf Metalldichtungen, da sie als einzige allenAnforderungen genügten.

In Prüfstand eingearbeitet

Die mithilfe der Finite-Elemente-Methode entwickelte Metalldichtung reduziert die Leckage.
Die mithilfe der Finite-Elemente-Methode entwickelte Metalldichtung reduziert die Leckage.

Im weiteren Verlauf seiner Bachelorarbeit hat Fabian Mathis mithilfe der Finite-Elemente-Methode den Dichtungsquerschnitt so ausgelegt, dass er die angestrebten elastischen Eigenschaften erfüllt. Mit der Software konnte er ausserdem auch das Verhalten unter Druck untersuchen, um so die einwandfreie Funktion des Dichtungskonzeptes zu belegen. Schliesslich hat Fabian Mathis die Dichtung in die Konstruktion eines Prüfstandes am Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) eingearbeitet. Dieser Prüfstand war bereits im Rahmen vorangegangener Arbeiten aufgebaut worden und dient dazu, die exakten Leckagemengen von Primär- und Sekundärleckage zu ermitteln sowie Optimierungsmöglichkeiten zu testen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Bachelorarbeit wird der Prüfstand in einem nächsten Schritt umgebaut, damit die Wirkung der hier entwickelten Dichtung gemessen werden kann.

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