CH698782B1 - Labyrinthdichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft hydraulische Maschine, insbesondere eine Wasserturbine oder Pumpturbine.mit einem fest stehenden und einem umlaufenden Bauteil;zwischen den Bauteilen befindet sich eine Labyrinthdichtung, die aus den beiden Bauteilen gebildet ist und durch die beim Betrieb ein Leckagestrom fliesst;die Labyrinthdichtung umfasst eine Mehrzahl von ringförmigen Kammern sowie diese leitend miteinander verbindende ringspaltförmige Kanäle.Die erfindungsgemässe hydraulische Maschine weist die folgenden Merkmale auf:die ringförmigen Kammern haben einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt;die ringspaltförmigen Kanäle sind derart angeordnet, dass der Leckagestrom sowohl beim Eintritt in eine Kammer als auch beim Austritt aus dieser um mehr als 90 Grad umgelenkt wird;die Verbindungskanäle, die an ein- und dieselbe Kammer angeschlossen sind, sind gegeneinander versetzt.

Description

  [0001]    Die Erfindung betrifft das Gebiet der hydraulischen Maschinen, insbesondere eine Wasserturbine oder eine Pumpturbine. Sie betrifft insbesondere das Gebiet der Labyrinthdichtungen. Als Beispiel für eine solche hydraulische Maschine wird auf DE 19 808 877 A1 verwiesen.

  

[0002]    Bei solchen Maschinen läuft ein Laufrad innerhalb eines fest stehenden Gehäuses um, so dass zwischen den beiden ein Spalt entsteht. Der Spalt muss gegen Leckage abgedichtet werden, um den Leckagestrom so weit wie möglich zu minimieren. Zum Abdichten sind Labyrinthdichtungen bekannt. Diese gibt es in einer Vielzahl von Ausführungsformen. Die einfachste Form ist das sogenannte glatte Labyrinth, bei welchem die Begrenzungswände des Lichtspaltes frei von Sprungstellen sind und mehr oder minder parallel nebeneinander verlaufen. Eine weitere Ausführungsform ist das gestufte Labyrinth, bei dem die miteinander zusammenarbeitenden Flächen treppenförmig sind. Ferner sind zahlreiche Labyrinthe bekannt, die eine Vielzahl von kleinen ringförmigen Kammern aufweisen, sowie ringspaltförmige Kanäle, die die Kammern miteinander verbinden.

  

[0003]    Bekannte derartige Labyrinthdichtungen gehen beispielsweise aus der DE 1 551 223 A, der DE 189 239 C sowie der US 5 924 844 A hervor.

  

[0004]    Man ist bestrebt, den Leckagestrom durch den Dichtspalt so weit wie möglich zu minimieren, da er Verlustleistung bedeutet. Gleichzeitig soll der Herstellungsaufwand so klein wie möglich sein. Bei den bekannten Labyrinthdichtungen werden diese beiden Merkmale nicht im notwendigen Masse erfüllt.

  

[0005]    Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Labyrinthdichtung anzugeben, die für Strömungsmaschinen wie Wasserturbinen oder dergleichen geeignet ist, die eine weitgehende Minimierung des Leckagestromes erbringt und die ausserdem einen minimalen Herstellungsaufwand hat.

  

[0006]    Diese Aufgabe wird mit einer Labyrinthdichtung gemäss Anspruch 1 gelöst.

  

[0007]    Der Erfinder ist dabei von einer Labyrinthdichtung ausgegangen, die eine Vielzahl von ringförmigen Kammern aufweist, ferner Ringspalt-Kanäle, die die Kammern miteinander verbinden. Ein Gedanke der Erfindung besteht darin, dass die ringförmigen Kammern einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Hierdurch wird die Herstellung erleichtert. Die betreffenden Flächen, aus welchen eine Kammer aufgebaut ist, lassen sich durch Einstechen herausarbeiten. Die Begrenzungsflächen der Kammern verlaufen somit parallel beziehungsweise senkrecht zueinander.

  

[0008]    Das wesentliche erfindungsgemässe Merkmal besteht in der Ausrichtung der Kammern einerseits, das heisst der Lage der Begrenzungsflächen, und der Verbindungskanäle zwischen zwei einander benachbarten Kammern andererseits. Dabei werden die Kanäle erfindungsgemäss derart angeordnet, dass der Leckagestrom sowohl beim Eintritt in eine Kammer als auch beim Austritt aus einer Kammer um mehr als 90 Grad umgelenkt wird. Das dritte kennzeichnende Merkmal besteht darin, dass der Einlass in eine Kammer und der Auslass aus einer Kammer gegeneinander versetzt sind, so dass der Leckagestrom nicht in einem Kurzschluss vom Einlass zum Auslass der Kammer direkt, das heisst auf kürzestem Weg durchströmt. Der Strömungsweg durch die Kammer soll nach der Umlenkung gegenüber der Strömungsrichtung im Verbindungskanal möglichst gross sein.

  

[0009]    Die genannten Merkmale haben sich als optimal im Sinne eines Behinderns der Leckageströmung und damit einer Minimierung des Leckagestromes erwiesen.

  

[0010]    Die Umlenkung des Leckagestroms beim Wechsel von einem Verbindungskanal in eine Kammer sowie beim Wechsel von einer Kammer in einen Verbindungskanal könnte sehr gross sein, theoretisch beispielsweise annähernd 180 Grad. Dies wird man jedoch vermeiden, da hierbei scharfe Kanten entstehen, die in besonderem Mass erosionsgefährdet sind. Um eine dauerhafte Konfiguration zu gewährleisten, wird die Umlenkung in der Grössenordnung von 130 bis 170 Grad liegen. Die Strömungsrichtung in einem Verbindungskanal und die Strömungsrichtung in der nachgeschalteten Kammer bilden beispielsweise einen Winkel von 30 Grad miteinander, was einer Umlenkung von 150 Grad entspricht.

  

[0011]    Die Erfindung sowie der Stand der Technik sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
<tb>Fig. 1<sep>zeigt eine Francisturbine in einem Axialschnitt.


  <tb>Fig. 2<sep>zeigt eine vergrösserte schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Labyrinthdichtung.


  <tb>Fig. 3<sep>zeigt eine erfindungsgemässe Konfiguration von Kammer und Zu- und Abströmung, nochmals vergrössert.


  <tb>Fig. 4, 5 und 6<sep>zeigen konventionelle Labyrinthdichtungen.

  

[0012]    Die in Fig. 1 gezeigte Francisturbine weist als Hauptelement ein Laufrad 1 auf, ein Gehäuse 2, einen Turbinendeckel 3, ein Saugrohr 4 sowie eine Einlaufspirale 5.

  

[0013]    Das Laufrad 1 weist einen Laufradboden 1.1, einen Laufradkranz 1.2 sowie eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 1.3 auf.

  

[0014]    Für die Erfindung entscheidend ist eine Labyrinthdichtung 8. Diese ist gebildet aus zwei ringförmigen Bauteilen 8.1 und 8.2, die beide aus besonders korrosions- und erosionsfestem Material bestehen. Ring 8.1 ist in den Umfang des Laufradkranzes eingebettet und Ring 8.2 in den gegenüberliegenden Bereich des Gehäuses 2.

  

[0015]    Aus Fig. 2 erkennt man den Aufbau der erfindungsgemässen Labyrinthdichtung im Einzelnen. In die beiden Ringe 8.1 und 8.2 sind Aussparungen eingearbeitet. Die derart entstehenden Begrenzungsflächen der Ringe 8.1 und 8.2 bilden miteinander ringförmige Kammern 9.1, 9.2 und 9.3 sowie ringspaltförmige Verbindungskanäle 10.1, 10.2, 10.3. Die Verbindungskanäle stellen leitende Verbindungen zwischen einander benachbarten Kammern her.

  

[0016]    Der von oben nach unten fliessende Leckagestrom wird sowohl beim Eintritt in eine der Kammern als auch beim Austritt jeweils um deutlich mehr als 90 Grad umgelenkt. Im vorliegenden Falle beträgt die Umlenkung ca. 120 Grad. Die ringförmigen Kammern 9.1, 9.2 und 9.3 haben einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt. Die ringspaltförmigen Verbindungskanäle sind nicht ganz am Ende des betreffenden Rechteckes angeschlossen, sondern in einem gewissen Abstand hiervon.

  

[0017]    Etwas anders sieht es aus bei der Ausführungsform gemäss Fig. 3. Hierbei wird der Leckagestrom, der in einem Verbindungskanal 10.1 herangeführt wird, beim Eintritt in die nachfolgende Kammer 9.1 um 150 Grad umgelenkt. Winkel [alpha] zwischen den beiden Strömungsrichtungen beträgt somit 30 Grad. Der Eintritt in eine Kammer und der Austritt aus dieser befindet sich jeweils am Ende der Kammer.

  

[0018]    Die Verbindungskanäle 10.1, 10.2, 10.3 werden im Allgemeinen parallel zueinander verlaufen. Jedoch könnte dies auch anders sein, so dass zwei oder mehrere Verbindungskanäle einen Winkel miteinander bilden. Gleiches gilt für die Kammern.

  

[0019]    Die Querschnitte der ringförmigen Kammern 9.1, 9.2 und 9.3 werden im Allgemeinen rechteckig sein, sie können aber auch quadratisch sein.

  

[0020]    Die genannten Kammerverbindungskanäle sind bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2aus den beiden Ringen 8.1, 8.2 durch entsprechendes Ausdrehen oder Einstechen mit einem Drehstahl gebildet.

  

[0021]    Die vorbekannten Ausführungsformen sind in den Fig. 4 bis 6dargestellt. Fig. 4zeigt ein Labyrinth mit durchlaufenden Flächen. Hierbei ist nur eine Sprungstelle vorhanden, nämlich da, wo sich der Spalt verengt.

  

[0022]    Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 5ist ein Rippenlabyrinth vorgesehen, desgleichen bei der Ausführungsform gemäss Fig. 6.

Bezugszeichenliste

  

[0023]    
<tb>1<sep>Laufrad


  <tb>1.1<sep>Laufradbogen


  <tb>1.2<sep>Laufradkranz


  <tb>1.3<sep>Laufradschaufeln


  <tb>2<sep>Gehäuse


  <tb>3<sep>Turbinendeckel


  <tb>4<sep>Saugrohr


  <tb>5<sep>Einlaufspirale


  <tb>6<sep>Leitapparat


  <tb>7<sep>Laufradwelle


  <tb>8<sep>Labyrinthdichtung


  <tb>8.1<sep>Ring im Laufradkranz


  <tb>8.2<sep>Ring im Gehäuse 2


  <tb>9.1<sep>Kammer


  <tb>9.2<sep>Kammer


  <tb>9.3<sep>Kammer


  <tb>10.1<sep>Verbindungskanal


  <tb>10.2<sep>Verbindungskanal


  <tb>10.3<sep>Verbindungskanal

Claims (3)

1. Hydraulische Maschine, insbesondere Wasserturbine oder Pumpturbine, mit einem fest stehenden (2) und einem umlaufenden (1) Bauteil;

zwischen den Bauteilen (1, 2) befindet sich eine Labyrinthdichtung (8), die aus den beiden Bauteilen (1, 2) gebildet ist und durch die beim Betrieb ein Leckagestrom fliesst;

die Labyrinthdichtung (8) umfasst eine Mehrzahl von ringförmigen Kammern (9.1, 9.2, 9.3) sowie diese leitend miteinander verbindende ringspaltförmige Kanäle (10.1, 10.2, 10.3);

die ringförmigen Kammern (9.1, 9.2, 9.3) haben einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt;

die ringspaltförmigen Kanäle (10.1, 10.2, 10.3) sind derart angeordnet, dass der Leckagestrom sowohl beim Eintritt in eine Kammer (9.1, 9.2, 9.3) als auch beim Austritt aus dieser um mehr als 90 Grad umgelenkt wird;

die Verbindungskanäle (10.1, 10.2, 10.3), die an ein- und dieselbe Kammer (9.1, 9.2, 9.3) angeschlossen sind, sind gegeneinander versetzt.

2. Hydraulische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung der Kammern (9.1, 9.2, 9.3) und der Verbindungskanäle (10.1, 10.2, 10.3), dass der Leckagestrom sowohl beim Eintritt in eine Kammer als auch beim Austritt aus einer Kammer um 130 bis 170 Grad umgelenkt wird.

3. Hydraulische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (10.1, 10.2, 10.3) einen kleineren Strömungsquerschnitt als die Kammern (9.1, 9.2, 9.3) haben.