AT404625B

AT404625B - Wasserturbine mit wellendichtung

Info

Publication number: AT404625B
Application number: AT0052596A
Authority: AT
Inventors: Gert Ing Koefeler
Original assignee: Oesterr Draukraftwerke
Priority date: 1996-03-21
Filing date: 1996-03-21
Publication date: 1999-01-25
Also published as: ATA52596A

Description

AT 404 625 B

Oie Erfindung betrifft eine Wasserturbine mit Wellendichtung bestehend aus einem an der Turbinenwelle befestigten, eine Lauffläche aufweisenden Ring und einer am Turbinengehäuse befestigten Dichtlippe.

Zur Abdichtung von Triebwassereintritt in den Turbinenschacht ist im Bereich der Wellendurchführung ein Dichtelement erforderlich. Der klassische Wasserturbinenbau kennt folgende Dichtungssysteme: Stopfbüchsendichtung, Sperrlabyrinthdichtung, radiale Gleitringdichtung, axiale Gleitringdichtung, Membrandichtung, Gummilippendichtung. Alle genannten Systeme erfordern für eine klaglose Funktion zumeist Hilfseinrichtungen, wie z.B. Sperrwasserversorgung, Kühl- oder Spritzwassereinrichtungen.

Die Bereitstellung dieser Hilfseinrichtungen ruft oft große Probleme für den Betrieber hervor. Die alten Gummilippendichtungssysteme hatten wiederholt Probleme mit Trockenlauf.und Erhitzung.

Die AT 373 980 B zeigt in einem ihrer Ausführungsbeispiele eine Wellendichtung für Wasserturbinen der eingangs genannten Art. Die Dichtlippe liegt dabei mit einer gewissen Vorspannung an der Lauffläche des auf der Welle sitzenden Ringes ständig an. Die Abdichtung ist durch diese Vorspannung also jederzeit gewärleistet. Zur besseren Schmierung der Dichtung sind in der Dichtlippe schräggestellte Nuten vorgesehen, die eine geringe Leckage erlauben. Problematisch wird diese Anordnung, wenn das zur Schmierung vorgesehene Wasser nicht vorhanden ist und dennoch eine Relativbewegung zwischen Dichtlippe und Lauffläche stattfindet, wie dies z.B. bei Lastabschaltung der Fall ist, da der Schwung des Rotors des Generators die Welle noch für einige Zeit weiterdreht, selbst wenn kein Triebwasser mehr fließt. Dann kommt es bei einem Dichtsystem gemäß der genannten Druckschrift sicher zu einem Trockeniaufen und Erhitzen des Dichtungssystems, was zur Zerstörung der Dichtung führen kann.

Zur Vermeidung des Trockenlaufens und Erhitzens des Dichtungssystems waren bisher Hilfseinrichtungen vorgesehen, wie z.B. Sperrwasserversorgung, Kühl- oder Spritzwassereinrichtungen, die bei Ausbleiben des Triebwassers für eine Kühlung und Schmierung des Dichtungssystems sorgten. Dafür waren natürlich eigene Wasserzuführsysteme und die zugehörigen Schaltvorrichtungen erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Dichtungssystem zu finden, das keine solchen Hilfseinrichtungen benötigt, dennoch einen hohen Dichtungsgrad, geringen Verschleiß, einfachen Aufbau und Unempfindlichkeit gegen Wellenbewegungen der Turbine, sowie Wartungsfreiheit und geringe Betriebskosten ermöglicht.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Turbinenwelle ein axiales Spiel aufweist und die Dichtlippe turbinenlaufradseitig und der Ring mit der Lauffläche generatorseitig angeordnet ist wobei die Dichtlippe nur im Lastbetrieb der Turbine an der Lauffläche des Ringes anliegt. Bei Lastbetrieb erlaubt das axiale Spiel der Turbinenwelle, daß der Triebwasserdruck die Welle in Fließrichtung des Triebwassers geringfügig verschiebt. Damit nähert sich auch der mit einer Lauffläche versehene Ring der Dichtlippe. Gleichzeitig wird die Dichtlippe vom turbinenseitigen Wasserdruck an die Lauffläche des rotierenden Ringes gedrückt. Im kritischen Moment der Lastabschaltung hingegen fällt der Druck des Triebwassers auf die Turbinenschaufeln weg. Dadurch daß sich aber der Rotor des Generators und damit die Turbinenwelle und das Turbinenrad weiterdrehen, wird das restliche in der Turbine befindliche Wasser ausgetrieben, so daß es zu einem Aufschwimmen des Turbinenrades und der Welle durch den Rückstoß des ausgetriebenen Wassers kommt und die Welle sich entgegen der ursprünglichen Fließrichtung des Triebwassers verschiebt und damit den Ring mit der Lauffläche von der Dichtlippe abhebt. Die Dichtlippe und die Lauffläche des Ringes berühren sich also in dieser kritischen Situation, in der kein Schmiermittel, d.h. Triebwasser, vorhanden ist, nicht mehr.

Vorzugsweise hat das axiale Spiel der Turbinenwelle eine Größe von ca. 2 mm, so daß Abweichungen, bei an sich planen Dichtflächen toleriert werden können.

Nach einer besonderen Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Dichtlippe aus dauerelastischem Material. Dadurch wird zusätzlich erreicht, daß sich die Dichtiippe je nach Druckverhältnissen im turbinenradseitigen Raum und im generatorseitigen Raum verformt und dadurch das Abdichten im Lastbetrieb und das Abheben der Dichtung von der Lauffläche bei Lastabschaltung oder aber auch im Leerlaufbetrieb unterstützt wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei einer Wasserturbine der eingangs genannten Art, bei der die Dichtlippe aus elastischem Material besteht, dadurch gelöst, daß die Dichtiippe flach ist und daß die Dichtlippe turbinenlaufradseitig und der Ring mit der Lauffläche generatorseitig angeordnet ist, wobei die Dichtlippe nur im Lastbetrieb der Turbine an der Lauffläche den Ringes anliegt. Im Lastbetrieb ist der Wasserdruck im turbinenradseitigen Raum höher als der Druck im generatorseitigen Raum und der Wasserdruck preßt daher die Dichtlippe unter Verformung an die Lauffläche des Ringes an und erhöht somit die dichtende Wirkung. Bei Lastabschaltung hingegen oder auch bei Leerlaufbetrieb wird durch die Bewegung des Turbinenlaufrades im turbinenlaufradseitigen Raum ein Unterdrück gegenüber dem generatorseitigen Raum erzeugt, wodurch Luft aber auch gegebenenfalls vorhandenes Sickerwasser aus dem generatorseitigen Raum gesaugt wird. Dieser Luftstrom oder Wasserstrom hebt die Dichtlippe unter 2

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Verformung von der Lauffläche des Ringes ab und verhindert damit im Leerlaufbetrieb oder bei Lastabschaltung den Kontakt zwischen Dichtlippe und Ring, wodurch es zu keinem Trockenlaufen und keiner Überhitzung der Dichtung kommen kann.

Vorzugsweise kann die Lauffläche des Ringes bei allen obengenannten Ausführungsfbrmen keramikbeschichtet sein, so daß die Reibung zwischen Dichtlippe und Lauffläche weiter verringert wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann als Dichtlippe eine Flachgummidichtungslippe verwendet werden, wie sie für Wellendichtungen üblich ist.

Die vorliegende Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei die Fig.1 die Wellendichtung der erfindungsgemäßen Wasserturbine im Lastbetrieb, die Fig. 2 die Wellendichtung der erfindungsgemäßen Wasserturbine im Leerlaufbetrieb und die Fig. 3 die Wellendichtung der erfingsgemäßen Wasserturbine bei Lastabschaltung zeigt. Dargestellt ist jeweils nur das Dichtungssystem auf einer Seite der Welle, es ist aber natürlich rotationssymmetrisch aufgebaut.

Auf der Turbinenwelle 1 ist der Ring 3 befestigt, der eine Lauffläche 2 aufweist. Am Turbinengehäuse 4 ist die Dichtlippe 5 befestigt, deren Oberfläche der Lauffläche 2 des Ringes 3 gegenüberliegt. Der Ring 3 mit der Lauffläche 2 ist generatorseitig angeordnet und die Dichtlippe 5 ist turbinenradseitig angeordnet. Im Lastbetrieb drückt das Triebwasser auf die Turbinenschaufeln und die Turbinenwelle 1 wird, soweit es die Steifheit des Turbinendeckels und des Spurlagerträgers erlaubt, in Fließrichtung des Triebwassers (d.h. in den Darstellungen nach unten) verschoben. Dadurch nähert sich die Lauffläche 2 des Ringes 3 der Dichtlippe 5. Das im turbinenradseitigen Raum 6 befindliche Wasser weist einen wesentlich höheren Druck, z.B. 2 bar, als das im generatorseitigen Raum 7 vorhandene Sickerwasser auf. Wie man in Fig. 1 erkennt, wird dadurch die elastische Dichtlippe 5 verformt und gegen die Lauffläche 2 gedrückt, wodurch sich die entsprechende Abdichtung ergibt. Der Spalt d zwischen der Lauffläche 2 und der Dichtlippe 5 ist etwa 0,01 mm und erlaubt eine für den Lastbetrieb notwendige Schmierung durch Triebwasser, gewährleistet aber dennoch eine gute Abdichtung.

Im in Fig. 2 dargestellten Leerlaufbetrieb, bei dem durch wenig Triebwasser die Welle 1 in Drehung versetzt wird, ist der die Welle 1 verschiebende Triebwasserdruck noch nicht vorhanden und die Lauffläche 2 des Ringes 3 weist von der Dichtlippe 5 einen sichtbaren Abstand d auf, der in der Praxis z.B. bei 1 mm liegt, so daß es zu keiner Berührung zwischen der Dichtlippe 5 und der Lauffläche 2 bei der Drehung ohne dem Schmiermittel Wasser kommt. Zusätzlich erzeugt das Turbinenlaufrad im turbinenradseitigen Raum 6 einen Unterdrück gegenüber dem generatorseitigen Raum 7 von z.B.0,1 bar und es wird Luft aus dem generatorseitigen Raum 7 in den turbinenradseitigen Raum 6 gesaugt. Dieser Luftstrom verformt die Dichtlippe 5 und hebt sich noch weiter von der Lauffläche 2 des Ringes 3 ab.

Im Fall der Lastabschaltung (siehe Fig.3), d.h., wenn nur mehr wenig oder gar kein Triebwasser mehr in die Turbine fließt, der Rotor des Generators aber noch vom Lastbetrieb in Schwung ist, geht die Maschine in diesem Moment auf Überdrehzahl. Eben dieses Moment ist ein sehr kritischer Zustand für die Dichtung, da hier eine hohe Drehzahl ohne Schmierung durch Wasser stattfindet. Bei der Anordnung der vorliegenden Erfindung bewirkt aber der fehlende Druck des Triebwassers auf das Turbinenrad und der Ausstoß des restlichen, in der Turbine befindlichen Wassers zusätzlich, daß die Welle gegen die Richtung des zuvor fließenden Triebwassers verschoben wird, wie durch den Pfeil 8 angedeutet. Dadurch wird der Ring 3 mit der Lauffläche 2 von der Dichtlippe 5 abgehoben, wodurch in der Praxis ein großer Spalt d zwischen der Lauffläche 2 und der Dichtiippe 5 von z.B. 2 mm entsteht. Das Ausstößen des restlichen, in der Turbine befindlichen Wassers führt also zu einer Art Aufschwimmen der Welle 1 und damit zu einem noch weiteren Anheben der Welle 1 als bei Leerlaufbetrieb. Dies ist sehr vorteilhaft, da sich ja in dieser Situation auch die Weile 1 wesentlich schneller bewegt und es wesentlich ist, daß sich die Dichtlippe 5 und die Lauffläche 2 keinesfalls berühren. Gleichzeitig erzeugt das Turbinenlaufrad im turbinenradseitigen Raum 6 einen Unterdrück gegenüber dem generatorseitigen Raum 7 von z.B. 0,7 bar, wodurch eventuell im generatorseitigen Raum 7 befindliches Sickerwasser oder darin befindliche Luft in den turbinenradseitigen Raum 6 gesaugt wird und einerseits die Dichtung durch Wasser oder Luftstrom gekühlt wird und andererseits die elastische Dichtlippe 5 noch weiter von der Lauffläche 2 entfernt wird. Bei einem so erreichten Abstand von etwa 2 mm zwischen Dichtlippe 5 und Lauffläche 2 des Ringes 3 können auch eventuell vorhandene Abweichungen von den an sich eben ausgebildeten Dichtflächen der Dichtlippe 5 und der Lauffläche 2 des Ringes 3 toleriert werden.

Man sieht also, daß die besondere Anordnung der Dichtlippe 5 und des Ringes 3 mit der Lauffläche 2, wie es die Erfindung vorsieht, gemeinsam mit der Elastizität der Dichtlippe 5 und/oder dem axialen Spiel der Turbinenwelle ein Dichtsystem bietet, das im Lastbetrieb zuverlässig abdichtet, jedoch bei Lastabschaltung oder auch im Leerlaufbetrieb das unerwünschte Trockenlaufen und Überhitzen der Dichtflächen zuverlässig verhindert. Die Anordnung ist einfach und kostengünstig zu realisieren und benötigt keinerlei Hilfseinrichtungen wie bisher bekannte Systeme. Ferner ist das System praktisch wartungsfrei und verur- 3

Claims

AT 404 625 B sacht nur geringe Betriebskosten. Patentansprüche 1. Wasserturbine mit Wellendichtung bestehend aus einem an der Turbinenwelle befestigten, eine Lauffläche aufweisenden Ring und einer am Turbinengehäuse befestigten Dichtlippe, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenwelle (1) ein axiales Spiel aufweist und die Dichtlippe (5) turbinenlaufradseitig und der Ring (3) mit der Lauffläche generatorseitig angeordnet ist, wobei die Dichtlippe (5) nur im Lastbetrieb der Turbine an der Lauffläche (2) des Ringes (3) anliegt.
2. Wasserturbine nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daB das axiale Spiel eine GröBe von ca. 2 mm hat.
3. Wasserturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daB die Dichtlippe (5), wie an sich bekannt, aus dauerelastischem Material ist.
4. Wasserturbine mit Wellendichtung bestehend aus einem an der Turbinenwelle befestigten, eine Lauffläche aufweisenden Ring und einer am Turbinengehäuse befestigten Dichtlippe aus dauerelastischem Material, dadurch gekennzeichnet, daB die Dichtlippe (5) flach ist und daß die Dichtlippe (5) turbinenlaufradseitig und der Ring (3) mit der Lauffläche (2) generatorseitig angeordnet ist, wobei die Dichtlippe (5) nur im Lastbetrieb der Turbine an der Lauffläche (2) des Ringes (3) anliegt.
5. Wasserturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche (2) des Ringes (3), wie an sich bekannt, keramikbeschichtet ist.
6. Wasserturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtlippe (5) eine Flachgummidichtungslippe ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 4