CH659856A5

CH659856A5 - Hydraulic turbo engine of radial type

Info

Publication number: CH659856A5
Application number: CH3021/83A
Authority: CH
Inventors: Alfred Dr Christ
Original assignee: Escher Wyss Ag
Priority date: 1983-06-02
Filing date: 1983-06-02
Publication date: 1987-02-27

Abstract

In a Francis turbine the hub plate (101) and the shroud plate (102) of the turbine wheel are sealed off from the housing (104) by means of radially acting, hydrostatic seals (1, 2, 3) on their outer and inner rim. The seal water escaping from the seals (1, 2, 3) is drained off outwards through bores (201, 202, 203) and kept away from the outer surfaces of the hub plate (101) and the shroud plate (102). <IMAGE>

Description

**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **. ** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.

PATENTANSPRÜCHE 1. Hydraulische Turbomaschine radialer Bauart mit einem Laufrad, das eine an einer Welle (100) befestigte, einen Aussenkranz aufweisende Nabenscheibe (101), eine einen Aussen- und einen Innenkranz aufweisende Deckscheibe (102) sowie zwischen Nabenscheibe (101) und Deckscheibe (102) vorgesehene Laufschaufeln (103) umfasst und von einem Gehäuse (104) umschlossen ist, wobei zwischen dem Aussenkranz der Nabenscheibe (101) und dem Aussenkranz und Innenkranz der Deckscheibe (102) einerseits und dem Gehäuse (104) andererseits hydrostatische Dichtungen zur Abdichtung des Betriebswassers vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die am Aussenkranz der Nabenscheibe (101) und am Aussenkranz und Innenkranz der Deckscheibe (102) vorgesehenen hydrostatischen Dichtungen (1, 2, 3) als in radialer Richtung wirkende Dichtungen ausgebildet sind und dass im Gehäuse Bohrungen (201, 202, 203) zur Ableitung der aus den hydrostatischen Dichtungen (1, 2, 3) austretenden Sperrwasserströme vorgesehen sind, so dass die Aussenflächen der Nabenscheibe (101) und der Deckscheibe (102) unbenetzt bleiben. PATENT CLAIMS 1. Hydraulic turbomachine of radial design with an impeller which has a hub disk (101) fastened to a shaft (100) and having an outer ring, a cover disk (102) having an outer and an inner ring and between the hub disk (101) and the cover disk (102 ) provided blades (103) and enclosed by a housing (104), between the outer rim of the hub disk (101) and the outer rim and The inner ring of the cover disk (102) on the one hand and the housing (104) on the other hand have hydrostatic seals for sealing the process water, characterized in that the hydrostatic seals (1) provided on the outer ring of the hub disk (101) and on the outer ring and inner ring of the cover disk (102) , 2, 3) are designed as seals acting in the radial direction and that bores (201, 202, 203) are provided in the housing for diverting the sealing water flows emerging from the hydrostatic seals (1, 2, 3), so that the outer surfaces of the hub disk (101) and the cover plate (102) remain unwetted.

2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrostatischen Dichtungen (1, 2, 3) Dichtungskörper (7) aufweisen, die laufradseitig mit Sperrwasser versorgte Taschen (11) besitzen, wobei zwischen Dichtungskörper (7) und der Lauffläche (6) des Laufrades von den Taschen (11) ausgehend in Richtung zum Gehäuse und in Richtung zum Turbinen-Inneren je ein vom Sperrwasser durchflossener Dichtungsspalt (8, 9) gebildet wird. 2. Turbo machine according to claim 1, characterized in that the hydrostatic seals (1, 2, 3) have sealing bodies (7) which have pockets (11) supplied with sealing water on the impeller side, wherein between the sealing body (7) and the tread (6) of the impeller starting from the pockets (11) towards the housing and towards the inside of the turbine, a sealing gap (8, 9) through which the sealing water flows is formed.

3. Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungskörper (7) mittels einer hydrostatisch abgestützten Gleitfläche (19) auf einer Gleitfläche eines mit dem Gehäuse (26, 104) verbundenen Grundkörpers (18) zu gleiten vermag. 3. Turbo machine according to claim 2, characterized in that the sealing body (7) is able to slide by means of a hydrostatically supported sliding surface (19) on a sliding surface of a base body (18) connected to the housing (26, 104).

4. Turbomaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrostatisch abgestützte Gleitfläche (19) an einem mit dem Dichtungskörper (7) verbundenen Zwischenkörper (17) vorgesehen ist. 4. Turbo machine according to claim 3, characterized in that the hydrostatically supported sliding surface (19) is provided on an intermediate body (17) connected to the sealing body (7).

5. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungskörper (7) aus einem Material ausgeführt sind, das im wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Nabenscheibe (101) bzw. die Deckscheibe (102) des Laufrades und einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweist. 5. Turbo machine according to one of claims 2 to 4, characterized in that the sealing body (7) are made of a material which has substantially the same thermal expansion coefficient as the hub disc (101) or the cover disc (102) of the impeller and one has a low modulus of elasticity.

6. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungskörper (7) ein im wesentlichen symmetrisches Querschnittsprofil aufweisen. 6. Turbo machine according to one of claims 2 to 5, characterized in that the sealing body (7) have a substantially symmetrical cross-sectional profile.

7. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungskörper (7) als durchgehender Ring ausgebildet sind. 7. Turbo machine according to one of claims 2 to 6, characterized in that the sealing body (7) are designed as a continuous ring.

8. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkörper (17) in Umfangsrichtung in Segmente unterteilt ist. 8. Turbo machine according to one of claims 4 to 7, characterized in that the intermediate body (17) is divided into segments in the circumferential direction.

9. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitflächen des Zwischenkörpers (17) und/oder des Grundkörpers (18) aus einem Werkstoff mit Notlaufeigenschaften bestehen. 9. Turbo machine according to one of claims 2 to 8, characterized in that the sliding surfaces of the intermediate body (17) and / or the base body (18) consist of a material with emergency running properties.

10. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (18) stülpweich mit dem Gehäusedeckel (26) verbunden und so gestaltet ist, dass alle an ihm angreifenden Kräfte stülpneutral ausgeglichen sind. 10. Turbomachine according to one of claims 2 to 9, characterized in that the base body (18) is connected to the housing cover (26) in an evert-soft manner and is designed such that all the forces acting on it are counterbalanced.

11. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrostatischen Dichtungen von der Druckleitung (47) der hydraulischen Turbomaschine aus über ein Filter (49), gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Druckerhöhungspumpe (50) mit Sperrwasser versorgt werden. 11. Turbo machine according to one of claims 1 to 10, characterized in that the hydrostatic seals from the pressure line (47) of the hydraulic turbomachine from a filter (49), optionally with the interposition of a booster pump (50) are supplied with sealing water.

12. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrostatischen Dichtungen mittels einer den vollen Speisedruck bereitstellenden Pumpe (50) mit sauberem Speisewasser versorgt werden, wobei das den Dichtungen entströmende Sperrwasser gesammelt und zum Sauberwasserstrom rezirkuliert wird. 12. Turbo machine according to one of claims 1 to 10, characterized in that the hydrostatic seals are supplied with clean feed water by means of a pump (50) providing the full feed pressure, the sealing water flowing out of the seals being collected and recirculated to the clean water flow.

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Turbomaschine radialer Bauart mit einem Laufrad, das eine an einer Welle befestigte, einen Aussenkranz aufweisende Nabenscheibe, eine einen Aussenkranz und einen Innenkranz aufweisende Deckscheibe sowie zwischen Nabenscheibe und Deckscheibe vorgesehene Laufschaufeln umfasst, und das von einem Gehäuse umschlossen ist, wobei zwischen dem Aussenkranz der Nabenscheibe und dem Aussenkranz und dem Innenkranz der Deckscheibe einerseits und dem Gehäuse andererseits hydrostatische Dichtungen zur Abdichtung des Betriebswassers vorgesehen sind. The invention relates to a hydraulic turbomachine of radial design with an impeller which comprises a hub disk which is fastened to a shaft and has an outer ring, a cover disk which has an outer ring and an inner ring, and rotor blades provided between the hub disk and the cover disk, and which is enclosed by a housing, wherein Between the outer rim of the hub disk and the outer rim and the inner rim of the cover disk on the one hand and the housing on the other hand hydrostatic seals are provided for sealing the process water.

Solche hydraulischen Turbomaschinen sind aus CH 621 602 oder GB 1 603 995 bekannt und können beispielsweise als Francisturbinen, als Speicherpumpen oder als Pumpturbinen betrieben sein. Such hydraulic turbomachines are known from CH 621 602 or GB 1 603 995 and can be operated, for example, as Francis turbines, as storage pumps or as pump turbines.

Da bei solchen Turbomaschinen das aus den Dichtungen austretende Sperrwasser an die Aussenseite der Nabenscheibe und der Deckscheibe gelangt, verursacht es infolge der Scheibenreibung bei rotierendem Laufrad einen gewissen Leistungsverlust, der beispielsweise 1-3% betragen kann. Since the sealing water escaping from the seals reaches the outside of the hub disk and the cover disk in such turbomachines, it causes a certain loss of performance due to the disk friction when the impeller rotates, which may be, for example, 1-3%.

Ausserdem leistet der Sperrwasserstrom keine nutzbringende Arbeit. In addition, the sealing water flow does no useful work.

Die bei den oben angeführten Turbomaschinen verwendeten Dichtungen müssen ausserordentlich hohe Anforderungen erfüllen, beispielsweise für ein Produkt von Geschwindigkeit und Druck von 50 bar x 70 m/s = 3500 bar m/s brauchbar sein. Lediglich berührungsfreie hydrostatische Dichtungen sind prinzipiell in der Lage, solch hohen Beanspruchungen standzuhalten. The seals used in the turbomachinery mentioned above must meet extremely high requirements, for example, be usable for a product of speed and pressure of 50 bar x 70 m / s = 3500 bar m / s. In principle, only non-contact hydrostatic seals are able to withstand such high loads.

Die Verwendung von bekannten, beispielsweise in AT 340 842 oder DE-A 21 30 717 beschriebenen hydrostatischen Dichtungen für Turbomaschinen der genannten Art stösst jedoch auf Schwierigkeiten. Bei hohen Drucken auf der der Abstützung abgewandten Dichtungskörperseite wird die Anpresskraft auf die Abstützung sehr gross und damit auch die Reibungskräfte, so dass die Einstellung des Dichtungskörpers nach der Lauffläche erschwert oder in Frage gestellt ist. However, the use of known hydrostatic seals for turbomachinery of the type mentioned, for example described in AT 340 842 or DE-A 21 30 717, encounters difficulties. At high pressures on the side of the sealing body facing away from the support, the contact pressure on the support becomes very large and thus also the frictional forces, so that the setting of the sealing body after the running surface is difficult or questioned.

Solche Dichtungen können in der Regel nur einen beschränkten Druck beherrschen. Bei hohem Druck kann keine genügende Ausdehnung der Dichtungsringe nach aussen erfolgen, so dass es zu einem Verstülpen der Dichtungsringe kommt, welches bis zum einseitigen Berühren des den Spalt bildenden Dichtungsringes mit der Lauffläche führen kann. Um dies zu vermeiden, müssten die Dichtungen also erhebliche Abmessungen aufweisen und könnten nicht nachträglich in bestehende Maschinen eingebaut werden. Weiterhin sind die bekannten Dichtungen in der Regel nicht in der Lage, den ganzen Druckbereich solcher Turbomaschinen statisch und dynamisch bis zum vorkommenden Höchstdruck zu beherrschen und ebenso den gesamten Drehzahlbereich. Ausserdem war es mit solchen Dichtungen kaum möglich, sowohl axiale Verschiebungen des Rotors zuzulassen, die bis mehrere Millimeter betragen können, sowie ein gewisses radiales Wachsen des Rotordurchmessers infolge von Temperaturänderungen und Fliehkräften und ebenso einen gewissen Schlag, d.h. ein exzentrisches Laufen des Rotors zuzulassen, wobei unter allen Bedingungen die vom Sperrwasser durchflossenen Spalten zwischen Dichtungskörper und Lauffläche erhalten blei Such seals can usually only handle a limited pressure. At high pressure, there is no sufficient expansion of the sealing rings to the outside, so that the sealing rings become slipped, which can result in the sealing ring forming the gap touching the tread on one side. To avoid this, the seals would have to have considerable dimensions and could not be retrofitted into existing machines. Furthermore, the known seals are generally unable to control the entire pressure range of such turbomachines statically and dynamically up to the occurring maximum pressure and also the entire speed range. In addition, with such seals it was hardly possible to allow both axial displacements of the rotor, which can be up to several millimeters, as well as a certain radial increase in the rotor diameter due to temperature changes and centrifugal forces and also a certain impact, i.e. to allow an eccentric running of the rotor, whereby under all conditions the gaps between the sealing body and the running surface, through which the sealing water flows, are retained

ben. Zudem wurden die Dichtungen bisher auf einen Teil des Gehäuses, beispielsweise den Deckel, abgestützt, der je nach Bauart der Maschine keine genügend steife Basis abgibt, um die Dichtung unter allen vorkommenden Bedingungen wirklich korrekt abzustützen. ben. In addition, the seals have so far been supported on a part of the housing, for example the cover, which, depending on the type of machine, does not provide a sufficiently rigid base to really support the seal correctly under all conditions.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die angeführten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere eine hydraulische Turbomaschine der oben angeführten Gattung zu schaffen, die eine Dichtung zwischen Laufrad und Gehäuse aufweist, die bei allen Betriebsbedingungen der Turbomaschine und bei besonders hohen Arbeitsdrücken bei minimalen Reibungskräften eine verbesserte Abdichtung gewährleistet, ohne dass die Form des Dichtungsspaltes und damit die Arbeitsweise nachteilig beeinflusst wird. Dabei soll der Sperrwasserstrom abgefangen und von den Aussenflächen des Laufrades ferngehalten werden, so dass keine Reibungs- und Leistungsverluste entstehen.Die Dichtung soll den ganzen Druckbereich statisch und dynamisch bis zum Höchstdruck und den gesamten möglichen Drehzahlbereich beherrschen sowie axiale Verschiebungen des Rotors und ein radiales Wachsen infolge Temperatur änderungen und Fliehkräften und eine gewisse Exzentrizität des Laufrades unter Erhaltung eines genügenden von Sperrwasser durchflossenen Spaltes zwischen Dichtungskörper und Lauffläche beherrschen, wobei eine korrekte Abstützung gegen das Gehäuse gewährleistet ist. The invention has for its object to avoid the disadvantages of the prior art and in particular to provide a hydraulic turbomachine of the type mentioned above, which has a seal between the impeller and housing, which under all operating conditions of the turbomachine and at particularly high working pressures at minimal Frictional forces ensure an improved seal without adversely affecting the shape of the sealing gap and thus the mode of operation. The sealing water flow should be intercepted and kept away from the outer surfaces of the impeller so that there is no loss of friction and performance. The seal should master the entire pressure range statically and dynamically up to the maximum pressure and the entire possible speed range, as well as axial displacements of the rotor and radial growth as a result of temperature changes and centrifugal forces and a certain eccentricity of the impeller while maintaining a sufficient gap through which sealing water flows between the sealing body and the tread, correct support against the housing being guaranteed.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die am Aussenkranz der Nabenscheibe und am Aussenkranz und Innenkranz der Deckscheibe vorgesehenen hydrostatischen Dichtungen als in radialer Richtung wirkende Dichtungen ausgebildet sind und dass im Gehäuse Bohrungen zur Ableitung der aus den hydrostatischen Dichtungen austretenden Sperrwasserströme vorgesehen sind, so dass die Aussenflächen der Nabenscheibe und der Deckscheibe unbenetzt bleiben. According to the invention, this object is achieved in that the hydrostatic seals provided on the outer rim of the hub disk and on the outer rim and inner rim of the cover disk are designed as seals which act in the radial direction and that bores are provided in the housing for draining off the sealing water flows emerging from the hydrostatic seals, so that the outer surfaces of the hub disc and the cover disc remain unwetted.

Als vorteilhaft erweist es sich, die hydrostatische Dichtung mit einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Taschenreihe und zwei Dichtungsspalten auszubilden, die auf der dem anstehenden Druck abgewandten Seite ebenfalls hydrostatisch und starr, d.h. die Parallelität der Dichtungsspalte bestimmend, reibungsarm abgestützt sind. It has proven to be advantageous to design the hydrostatic seal with a pocket row extending in the circumferential direction and two sealing gaps, which are also hydrostatic and rigid on the side facing away from the pressure, i.e. determining the parallelism of the sealing gaps are supported with little friction.

Die Ausbildung der Dichtungen als radial wirkende Dichtungen hat den Vorteil, dass sich die axialen Rotorverschiebungen leicht beherrschen lassen. Ferner werden die Umfangsflächen der Scheiben unter Beanspruchung der Flieh- und Druckkräfte weniger verformt als axiale Dichtungsflächen, und schliesslich lässt sich die Dichtung soweit aussen anbringen, dass nur noch ein vernachlässigbarer Oberflächenanteil der Scheibenreibung unterworfen ist. The design of the seals as radial seals has the advantage that the axial rotor displacements can be easily mastered. Furthermore, the circumferential surfaces of the disks are less deformed than axial sealing surfaces under the stress of the centrifugal and compressive forces, and finally the seal can be attached so far that only a negligible surface portion is subject to the disk friction.

Als Sperrwasserquelle für die hydrostatischen Dichtungen kann die Druckleitung der hydraulischen Turbomaschine angezapft werden. Vorteilhafterweise ist ein Filter zum Abscheiden von Fremdteilen und eine Druckerhöhungspumpe vorgesehen. Statt dessen kann auch ein separater Sperrwasserkreislauf vorgesehen sein, der eine Pumpe aufweist, die den vollen Sperrwasser-Speisedruck aufbringt, wobei das luftseitig den Dichtungen entströmende Wasser abgeleitet und rezirkuliert wird. The pressure line of the hydraulic turbomachine can be tapped as a source of sealing water for the hydrostatic seals. A filter for separating foreign parts and a pressure booster pump are advantageously provided. Instead of this, a separate sealing water circuit can also be provided, which has a pump that applies the full sealing water feed pressure, the water flowing out of the seals on the air side being drained off and recirculated.

Bei einer zweckmässigen Weiterbildung der Erfindung ist zur Vermeidung einer Deformation des Gehäusedeckels die Dichtung nicht direkt auf den Deckel abgestützt, sondern auf einen zwischengelagerten Grundkörper, wobei dieser Grundkörper seinerseits biegeweich auf den eigentlichen Gehäusedeckel abgestützt ist. Dabei ist der Grundkörper vorteilhafter weise so gestaltet, dass alle an ihm angreifenden Kräfte ausgeglichen sind und er sich praktisch nicht verformt und verstülpt, so dass er eine zuverlässige Basis für die Dichtungen darstellt. In an expedient development of the invention, in order to avoid deformation of the housing cover Seal is not supported directly on the cover, but on an intermediate base body, this base body in turn being supported in a flexible manner on the actual housing cover. The base body is advantageously designed in such a way that all the forces acting on it are balanced and it practically does not deform and turn over, so that it represents a reliable basis for the seals.

Die Erfindung sowie zweckmässige Weiterbildungen derselben werden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben. The invention and expedient developments of the same are described with reference to the exemplary embodiments shown in the figures.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Francis-Turbine. Fig. 1 shows a section through a Francis turbine.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Schnittes mit einer Dichtung zwischen dem Aussenkranz der Deckscheibe und dem Gehäuse. Fig. 2 shows a section of the section with a seal between the outer ring of the cover plate and the housing.

Fig. 3 zeigt einen analogen Ausschnitt mit einer anderen Ausführungsform der Dichtung. Fig. 3 shows an analog section with another embodiment of the seal.

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt mit einer dritten Ausführungsform der Dichtung. Fig. 4 shows a section with a third embodiment of the seal.

Fig. 5 zeigt ein den Dichtungen zugeordnetes Sperrwassersystem. 5 shows a sealing water system assigned to the seals.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform des Sperrwassersystems. Fig. 6 shows another embodiment of the sealing water system.

Bei der in Fig. 1 vereinfacht dargestellten Francis-Turbine ist an einer Welle 100 eine Nabenscheibe 101 befestigt. Die Nabenscheibe 101 bildet zusammen mit der gegenüberliegenden, in der Mitte offenen Deckscheibe 102 und den dazwischenliegenden Laufschaufeln 103 das Laufrad, das von einem Gehäuse 104 umschlossen wird. Das unter Druck stehende Betriebswasser strömt über eine Ringleitung 105 und ein Leitschaufelsystem 106 in das Gehäuse-Innere ein, versetzt das Laufrad in Rotation und verlässt die Turbomaschine durch das Saugrohr 107. Das Gehäuse-Innere ist an der Welle durch eine Stopfbüchse 108 abgedichtet. In the Francis turbine shown in simplified form in FIG. 1, a hub disk 101 is attached to a shaft 100. The hub disk 101 forms, together with the opposing cover disk 102, which is open in the middle, and the intermediate blades 103, the impeller, which is enclosed by a housing 104. The pressurized operating water flows through a ring line 105 and a guide vane system 106 into the interior of the housing, sets the impeller in rotation and leaves the turbomachine through the suction pipe 107. The interior of the housing is sealed on the shaft by a stuffing box 108.

Das Laufrad ist in dem in Fig. i dargestellten Ausführungsbeispiel durch drei in Radialrichtung wirkende Dichtun gen gegen das Gehäuse abgedichtet. Dabei ist eine erste Dichtung 1 am Aussenkranz des Nabendeckels 101 vorgesehen, eine zweite Dichtung 2 am Aussenkranz der Deckscheibe 102 sowie eine dritte Dichtung 3 an der Aussenseite des Innenkranzes der Deckscheibe 102. Durch die Ausbildung der Dichtungen 1, 2, 3 als radialwirkende, hydrostatische Dichtungen lassen sich axiale Rotorverschiebungen und Deformationen unter Einfluss von Temperaturausdehnungen und Fliehkräften bei einer minimalen Scheibenreibung in einem erheblich grösseren Bereich als mit vorbekannten Dichtungen beherrschen. The impeller is sealed in the exemplary embodiment shown in FIG. I by three seals acting in the radial direction against the housing. A first seal 1 is provided on the outer rim of the hub cover 101, a second seal 2 on the outer rim of the cover disk 102 and a third seal 3 on the outside of the inner rim of the cover disk 102. By designing the seals 1, 2, 3 as radially acting, hydrostatic Seals can handle axial rotor displacements and deformations under the influence of temperature expansion and centrifugal forces with minimal disk friction in a considerably larger area than with previously known seals.

Im Gehäuse 104 sind ferner gehäuseseitig zu den Dichtungen 1, 2, 3 nach aussen führende Bohrungen 201, 202, 203 vorgesehen, durch die das aus den hydrostatischen Dichtungen 1, 2, 3 austretende Sperrwasser nach aussen abfliesst. so dass die Oberseite der Nabenscheibe 101 sowie die Unterseite der Deckscheibe 102 im wesentlichen trocken bleibt und auch dort keine Reibungsverluste entstehen. In the housing 104, bores 201, 202, 203 leading outwards to the seals 1, 2, 3 are also provided, through which the sealing water emerging from the hydrostatic seals 1, 2, 3 flows outwards. so that the top of the hub disk 101 and the underside of the cover disk 102 remain essentially dry and there are also no friction losses.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1, welcher die Dichtung 2 am Aussenkranz der Deckscheibe 102 im Detail zeigt. FIG. 2 shows a detail from FIG. 1, which shows the seal 2 on the outer rim of the cover plate 102 in detail.

Dieser Aussenkranz 4 trägt eine Laufflächenaufpanzerung 5 aus geeignetem Material. Zwischen der Lauffläche 6 der Deckscheibe 4 und dem mit der Lauffläche zusammenwirken den Dichtungskörper 7 stellen sich von Sperrwasser durch flossene Spalten 8 und 9 ein. Der Dichtungskörper 7 wird vom Sperrwasserdruck im Raum 10 gegen die Lauffläche 6 gedrückt. Die Breite dieses Raumes 10 wird so bemessen, dass die Druckkräfte auf den Dichtungskörper 7 und die Druckkräfte in den Taschen 11 des Dichtungskörpers 7 und in den Spalten 8, 9 sowie die in horizontaler Richtung wirken den Druckkräfte des Aussenraumes 13 sich das Gleichge wicht halten. Damit alle in Umfangsrichtung durch Zwi schenstege getrennten Taschen 11 vom Druckraum 10 aus gleichmässig angespeist werden, sind Drosselbohrungen 14 im Dichtungskörper 7 vorgesehen. Im Inneren des Dichtungs körpers 7 verhindern Dichtungen 15, 16 ein Ausströmen des Sperrwassers aus dem Druckraum 10, so dass die nötige Anpresskraft für den Dichtungskörper 7 gewährleistet ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Aussenraumes 13, in dem der Betriebswasserdruck ansteht, wird der Dichtungskörper 7 gegen den Grundkörper 18 des Gehäuses abgestützt, gegebenenfalls über Zwischenkörper 17. Damit die Reibungskräfte zwischen Grundkörper 18 und Zwischenkörper 17 infolge der recht hohen Anpresskräfte auf die Zwischenfläche 19 nicht ebenfalls gross werden und das Einstellen der Spalte 8, 9 stören, ist die Auflagefläche 19 als hydrostatische Tragfläche ausgebildet, die über mindestens eine ringförmige Nut, beispielsweise ein System von zwei Ringnuten 20 über Drosselbohrungen 21 mit einem Sperrwasser-Zuführraum 22 verbunden ist.Der Dichtungskörper 7 ist vorteilhafterweise als einteiliger Ring ausgebildet, zweckmässigerweise aus einem Material, das etwa denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat wie das Laufradmaterial, aber einen möglichst niedrigen Elastizitätsmodul, damit bei einem Wachsen des Laufradkranzes unter Wirkung der Fliehkraft möglichst geringe Ringspannungen entstehen. Wenn der Dichtungskörper 7 mit möglichst gut symmetrischem Querschnitt hergestellt ist, wird er sich bei einer Dehnung nicht stülpen, so dass die Spalten 8, 9 immer durch parallel verlaufende Wandungen begrenzt werden. Um diese Symmetrie-Forderung voll zu erfüllen, kann auch ein aus Umfangsteilstücken bestehender Stegkörper 23 in eine Ausnehmung des Dichtungskörpers 7 eingesetzt sein, so dass der Stegkörper die eigentlichen Dichtungsspalten 8, 9 mit der Lauffläche 6 bildet.Dieser Stegkörper 23 wird vorteilhafterweise auf der Laufseite mit einer Beschichtung mit guten Notlaufeigenschaften versehen, z.B. This outer rim 4 carries a tread armor 5 made of a suitable material. Between the tread 6 Cover plate 4 and the sealing body 7 cooperating with the tread adjust themselves from sealing water through flowing gaps 8 and 9. The sealing body 7 is pressed against the tread 6 by the sealing water pressure in the space 10. The width of this space 10 is dimensioned such that the compressive forces on the sealing body 7 and Compressive forces in the pockets 11 of the sealing body 7 and in the columns 8, 9 and which act in the horizontal direction, the compressive forces of the outer space 13 are of equal importance. So that in the circumferential direction by inter mediate webs 11 pockets 11 are evenly fed from the pressure chamber 10, throttle bores 14 are provided in the sealing body 7. Inside the seal body 7 prevent seals 15, 16 from flowing out Barrier water from the pressure chamber 10, so that the necessary Contact pressure for the sealing body 7 is guaranteed. On the opposite side of the outer space 13, in which the operating water pressure is present, the sealing body 7 is supported against the base body 18 of the housing, if necessary via an intermediate body 17. So that the frictional forces between the base body 18 and the intermediate body 17 are not due to the quite high contact forces on the intermediate surface 19 also become large and interfere with the setting of the gaps 8, 9, the bearing surface 19 is designed as a hydrostatic airfoil, which is connected to a sealing water supply chamber 22 via at least one annular groove, for example a system of two annular grooves 20 via throttle bores 21 7 is advantageously designed as a one-piece ring, advantageously from a Material that has about the same thermal expansion coefficient as the impeller material, but the lowest possible modulus of elasticity, so that when the impeller ring grows, the lowest possible ring stresses occur under the effect of centrifugal force. If the sealing body 7 is made with a cross-section that is as symmetrical as possible, it will not slip when stretched, so that the gaps 8, 9 are always delimited by parallel walls. In order to fully meet this symmetry requirement, a web body 23 consisting of peripheral sections can also be inserted into a recess in the sealing body 7, so that the web body forms the actual sealing gaps 8, 9 with the running surface 6. This web body 23 is advantageously on the running side provided with a coating with good emergency running properties, e.g.

aus einem geeigneten Kunststoffmaterial. Gegebenenfalls kann auch der ganze Stegkörper 23 aus einem solchen Material bestehen. made of a suitable plastic material. If appropriate, the entire web body 23 can also consist of such a material.

Der Zwischenkörper 17 ist zweckmässigerweise aus mehreren Umfangsstücken zusammengesetzt, so dass sich keine störenden Umfangsspannungen aufbauen können, sondern sich die zwischen den Teilstücken vorgesehenen Fugen erweitern oder verengen. Zur Positionierung des Dichtungskörpers 7 gegenüber dem Zwischenkörper 17 wird beispielsweise ein eingelegtes Vierkantprofil 24 in je eine gegenüberliegende Nut der beiden sich berührenden Flächen eingelegt. Diese Flächen sowie die Auflagefläche 19 können ebenfalls mit Kunststoff beschichtet sein. The intermediate body 17 is expediently composed of a plurality of circumferential pieces, so that no disturbing circumferential stresses can build up, but rather the joints provided between the sections expand or contract. To position the sealing body 7 with respect to the intermediate body 17, for example, an inserted square profile 24 is inserted into an opposite groove in the two contacting surfaces. These surfaces and the support surface 19 can also be coated with plastic.

Das Sperrwasser wird von aussen durch Bohrungen 25 im Deckelteil 26 des Gehäuses in den Raum 22 ingespeist. Dieser Raum 22 ist mittels zwei Dichtungen 27, 28 abgedichtet. Weitere Bohrungen 29, 30 leiten das Wasser in den Druckraum 10. Der dem Spalt 8 druckwasserseitig entströmende Teil des Sperrwassers fliesst unter Auffüllung des Raumes 13 in die eigentliche Turbine und nimmt dort am Entspannungsprozess teil. Damit der Raum 13 und damit der Dichtungskörper möglichst gegenüber dem gegebenenfalls etwas Sand mitführenden Betriebswasser geschützt ist, ist ein Deckel 31 vorgesehen, der einen Spalt 32 in Richtung zum Turbinen-Inneren offenhält. Im Gehäuseteil 26 und dem starr damit verbundenen Grundkörper 18 sind Bohrungen 33 vorgesehen, durch die der dem Spalt 9 gehäuseseitig entströmende Teil des Sperrwassers nach aussen abgeleitet, gegebenenfalls gesammelt und rezirkuliert wird. The sealing water is fed into the room 22 from outside through holes 25 in the cover part 26 of the housing. This space 22 is sealed by means of two seals 27, 28. Further bores 29, 30 conduct the water into the pressure chamber 10. The part of the sealing water flowing out of the gap 8 on the pressure water side flows into the actual turbine while filling the space 13 and takes part in the expansion process there. So that the space 13 and thus the sealing body is protected as far as possible from the operating water which may carry some sand, a cover 31 is provided which keeps a gap 32 open towards the inside of the turbine. Bores 33 are provided in the housing part 26 and the rigidly connected base body 18, through which the part of the sealing water flowing out of the gap 9 on the housing side is drained out, possibly collected and recirculated.

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer hydrostatischen Dichtung, deren Grundkörper 18 bei einer Verstülpung des Turbinengehäuses 26 undeformiert bleibt. Der Grundkörper 18 ist hierbei mit einem Fortsatz 35 versehen, der mit etwas Spiel in einen Nutraum 36 des Gehäusedeckels 26 passt. Dichtungen 37, 38 verhindern, dass das in den Nutraum 36 eingespeiste Sperrwasser entweicht. Auf dem Grund des Nutraumes 36 sitzt ein durch die Schrauben 34 unterbrochener prismenartiger Ring 39, der den Grundkörper 18 abstützt. Die Schrauben 34 selbst sind als biegeweiche Dehnschrauben vorgesehen. Sie verbinden den Grundkörper 18 biegeweich mit dem Turbinendeckel 26.Sowohl die Abstützlinie des prismenartigen Ringes 39 als auch die Wirklinie der Schrauben 34 liegen im wesentlichen in der druckkraftwirksamen Mitte M des Raumes 13, d.h. in der Linie des Kraftangriffspunktes des anstehenden Druckes. FIG. 3 shows another embodiment of a hydrostatic seal, the base body 18 of which remains undeformed when the turbine housing 26 is turned over. The base body 18 is provided with an extension 35 which fits into a groove space 36 of the housing cover 26 with some play. Seals 37, 38 prevent the sealing water fed into the groove space 36 from escaping. At the bottom of the groove space 36 is a prism-like ring 39, interrupted by the screws 34, which forms the base body 18 supports. The screws 34 themselves are provided as flexible expansion screws. They connect the base body 18 to the turbine cover 26 in a flexible manner. Both the support line of the prism-like ring 39 and the line of action of the screws 34 lie essentially in the pressure-effective center M of the space 13, i.e. in the line of the force application point of the applied pressure.

Ein weiterer durch zwei Dichtungen 40, 41 abgedichteter Raum 42 wird durch einen Vorsprung im Turbinendeckel und eine Nut im Grundkörper gebildet. Er wird durch die Bohrung 43 mit dem Druck des zugespeisten Sperrwassers beaufschlagt. Dieser Raum 42 dient dazu, das Stülpmoment auf dem Grundkörper, das von der Rückseite des Druckraumes 10 ausgeübt wird, möglichst genau zu kompensieren. Deshalb liegen die Dichtungen 40 und 15, respektive 41 und 16 genau auf gleicher Höhe. Eine nach aussen führende Entlastungsbohrung 44 sorgt dafür, dass sich im Raum 45 kein störender Überdruck aufbauen kann. Another space 42 sealed by two seals 40, 41 is formed by a projection in the turbine cover and a groove in the base body. It is pressurized through the bore 43 with the pressure of the supplied barrier water. This space 42 serves to compensate as precisely as possible for the turning moment on the base body which is exerted from the rear of the pressure space 10. Therefore, the seals 40 and 15, respectively 41 and 16 are at exactly the same height. A relief bore 44 leading to the outside ensures that no disruptive excess pressure can build up in the space 45.

Auch bei dieser Ausführungsform sind Wasserablaufbohrungen 33 durch den Grundkörper 18 und den Gehäusedekkel 26 vorgesehen, die das im Spalt 9 entströmende Sperrwasser nach aussen ableiten. In this embodiment, too, water drainage bores 33 are provided through the base body 18 and the housing cover 26, which drain the sealing water flowing out in the gap 9 to the outside.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem der den Druckraum 10 mit den Dichtungen 15, 16 bildende Bauteil fest am Gehäusedeckel 26 befestigt ist und nicht wie in den anderen Ausführungsbeispielen am Grundkörper 18. 4 shows a further exemplary embodiment, in which the component forming the pressure chamber 10 with the seals 15, 16 is fixedly attached to the housing cover 26 and not to the base body 18 as in the other exemplary embodiments.

Dieser ist daher etwas einfacher geformt. Auch die Zwischenstücke 17 entfallen und der Dichtungskörper 7 ist direkt auf den Grundkörper hydrostatisch abgestützt. Die Form des Nutraumes 36 ist entsprechend geändert, damit sowohl die Wirklinie der Verschraubung 34 als auch der Prismenabstützung 39 in der Wirklinie der angreifenden Druckkräfte des Raumes 13 liegen. It is therefore shaped somewhat more simply. The intermediate pieces 17 are also omitted and the sealing body 7 is supported hydrostatically on the base body. The shape of the groove space 36 is changed accordingly so that both the line of action of the screw connection 34 and the prism support 39 lie in the line of action of the pressure forces acting on the space 13.

Fig. 5 zeigt ein den Dichtungen zugeordnetes Sperrwassersystem. Das Sperrwasser wird bergseits des die hydraulische Turbomaschine abschliessenden Schiebers 46 der Druckleitung 47 entnommen, über einen Abschlussschieber 48 und einen zweckmässigerweise als umschaltbarer Doppelfilter ausgebildeten Filter 49 einer Druckerhöhungspumpe 50 zugeleitet. Über die Leitungen mit der Verzweigungsstelle 51 wird das Sperrwasser den Anschlussstellen 52 der hydraulischen Turbomaschine zugeleitet. Der Sperrwasserabfluss führt durch die Leitung 53 ins Unterwasser der Turbomaschine. 5 shows a sealing water system assigned to the seals. The sealing water is taken from the pressure line 47 on the mountain side of the slide 46 which closes off the hydraulic turbomachine, and is fed to a pressure booster pump 50 via a slide valve 48 and a filter 49 which is expediently designed as a switchable double filter. The sealing water is supplied to the connection points 52 of the hydraulic turbomachine via the lines with the branching point 51. The sealing water drainage leads through line 53 into the underwater of the turbomachine.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sperrwassersystems. Hier wird der gesamte notwendige Sperrwasserdruck von der Pumpe 50, die aus einem Vorratsbehälter 54 über ein Filter 49 ansaugt, bereitgestellt und das Sperrwasser der hydraulischen Turbomaschine zugeleitet. Das gesammelte abfliessende Sperrwasser wird mit den Leitungen 53 wieder in den Vorratsbehälter 54 zurückgeleitet. Ein Niveauschalter 55 steuert bei zu tiefem Niveau einen Einlasshahn 56 in einer Sauberwasserleitung 57, z.B. einer Trinkwasserleitung, an. 6 shows a further exemplary embodiment of the sealing water system. Here, the entire necessary sealing water pressure is provided by the pump 50, which draws in from a reservoir 54 via a filter 49, and the sealing water is fed to the hydraulic turbomachine. The collected outflowing sealing water is fed back into the reservoir 54 via the lines 53. If the level is too low, a level switch 55 controls an inlet tap 56 in a clean water line 57, e.g. a drinking water pipe.

Claims

PATENT CLAIMS

1. Hydraulic turbomachine of radial design with an impeller which has a hub disk (101) fastened to a shaft (100) and having an outer ring, a cover disk (102) having an outer and an inner ring and between the hub disk (101) and the cover disk (102 ) provided blades (103) and enclosed by a housing (104), between the outer rim of the hub disk (101) and the outer rim and The inner ring of the cover disk (102) on the one hand and the housing (104) on the other hand have hydrostatic seals for sealing the process water, characterized in that the hydrostatic seals (1) provided on the outer ring of the hub disk (101) and on the outer ring and inner ring of the cover disk (102) , 2, 3) are designed as seals acting in the radial direction and that bores (201, 202, 203) are provided in the housing for diverting the sealing water flows emerging from the hydrostatic seals (1, 2, 3), so that the outer surfaces of the hub disk (101) and the cover plate (102) remain unwetted.

2. Turbo machine according to claim 1, characterized in that the hydrostatic seals (1, 2, 3) have sealing bodies (7) which have pockets (11) supplied with sealing water on the impeller side, wherein between the sealing body (7) and the tread (6) of the impeller starting from the pockets (11) towards the housing and towards the inside of the turbine, a sealing gap (8, 9) through which the sealing water flows is formed.

3. Turbo machine according to claim 2, characterized in that the sealing body (7) is able to slide by means of a hydrostatically supported sliding surface (19) on a sliding surface of a base body (18) connected to the housing (26, 104).

4. Turbo machine according to claim 3, characterized in that the hydrostatically supported sliding surface (19) is provided on an intermediate body (17) connected to the sealing body (7).

5. Turbo machine according to one of claims 2 to 4, characterized in that the sealing body (7) are made of a material which has substantially the same thermal expansion coefficient as the hub disc (101) or the cover disc (102) of the impeller and one has a low modulus of elasticity.

6. Turbo machine according to one of claims 2 to 5, characterized in that the sealing body (7) have a substantially symmetrical cross-sectional profile.

7. Turbo machine according to one of claims 2 to 6, characterized in that the sealing body (7) are designed as a continuous ring.

8. Turbo machine according to one of claims 4 to 7, characterized in that the intermediate body (17) is divided into segments in the circumferential direction.

9. Turbo machine according to one of claims 2 to 8, characterized in that the sliding surfaces of the intermediate body (17) and / or the base body (18) consist of a material with emergency running properties.

10. Turbomachine according to one of claims 2 to 9, characterized in that the base body (18) is connected to the housing cover (26) in an evert-soft manner and is designed such that all the forces acting on it are counterbalanced.

11. Turbo machine according to one of claims 1 to 10, characterized in that the hydrostatic seals from the pressure line (47) of the hydraulic turbomachine from a filter (49), optionally with the interposition of a booster pump (50) are supplied with sealing water.

12. Turbo machine according to one of claims 1 to 10, characterized in that the hydrostatic seals are supplied with clean feed water by means of a pump (50) providing the full feed pressure, the sealing water flowing out of the seals being collected and recirculated to the clean water flow.

The invention relates to a hydraulic turbomachine of radial design with an impeller which comprises a hub disk which is fastened to a shaft and has an outer ring, a cover disk which has an outer ring and an inner ring, and rotor blades provided between the hub disk and the cover disk, and which is enclosed by a housing, wherein Between the outer rim of the hub disk and the outer rim and the inner rim of the cover disk on the one hand and the housing on the other hand hydrostatic seals are provided for sealing the process water.

Such hydraulic turbomachines are known from CH 621 602 or GB 1 603 995 and can be operated, for example, as Francis turbines, as storage pumps or as pump turbines.

Since the sealing water escaping from the seals reaches the outside of the hub disk and the cover disk in such turbomachines, it causes a certain loss of performance due to the disk friction when the impeller rotates, which may be, for example, 1-3%.

In addition, the sealing water flow does no useful work.

The seals used in the turbomachinery mentioned above must meet extremely high requirements, for example, be usable for a product of speed and pressure of 50 bar x 70 m / s = 3500 bar m / s. In principle, only non-contact hydrostatic seals are able to withstand such high loads.

However, the use of known hydrostatic seals for turbomachinery of the type mentioned, for example described in AT 340 842 or DE-A 21 30 717, encounters difficulties. At high pressures on the side of the sealing body facing away from the support, the contact pressure on the support becomes very large and thus also the frictional forces, so that the setting of the sealing body after the running surface is difficult or questioned.

Such seals can usually only handle a limited pressure. At high pressure, there is no sufficient expansion of the sealing rings to the outside, so that the sealing rings become slipped, which can result in the sealing ring forming the gap touching the tread on one side. To avoid this, the seals would have to have considerable dimensions and could not be retrofitted into existing machines. Furthermore, the known seals are generally unable to control the entire pressure range of such turbomachines statically and dynamically up to the occurring maximum pressure and also the entire speed range. In addition, with such seals it was hardly possible to allow both axial displacements of the rotor, which can be up to several millimeters, as well as a certain radial increase in the rotor diameter due to temperature changes and centrifugal forces and also a certain impact, i.e. to allow an eccentric running of the rotor, whereby under all conditions the gaps between the sealing body and the running surface, through which the sealing water flows, are retained

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