DE1910381C3 - Kranzabdichtung für das Laufrad von Wasserturbinen und Pumpen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kranzabdichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Bauart. Ein*; solche Kranzabdichtung ist aus der DE-PS 6 73 825 bekannt. Hierbei sind zwei Dichtringe in konzentrischen Ringnuten an der Stirnringfläche eines Gehäuseflansches eingesetzt und die Ringnuten bilden auf der Rückseite der Dichtringe Druckkammern, die über Druckleitungen mit Druckflüssigkeit versorgt werden. Während des Betriebs wird Druckflüssigkeit auf die Rückseite der Dichtringe geleitet, so daß diese mill einem Anpreßdruck gegen den Radkranz anliegen! Radial innerhalb der Dichtfinge ist ein weiteren' Dichtring vorgesehen, der ebenfalls stirnseitig gegen das Laufrad wirkt.

Eine ähnliche Dichtung ist aus der DE-PS 7 19 267 bekannt, bei der ein mit zwei Lippendichtungeri versehener Dichtring auf seiner Rückseite mit Drück·

wasser belastet wird.

Derartige Dichtungen sind infolge der Reibberührung einem starken Verschleiß unterworfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kranzabdichtung der Bauart gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, daß sich ein vorbestimmter Dichtspalt automatisch einstellt, der auch bei sich ändernden Betriebsbedingungen auf dpm eingestellten Wert gehalten wird und eine Leckströmung von der Hochdruckseite nach der Niederdruckseite mit Sicherheit durch das Druckwasser verhindert ist

Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale. Durch den sich zwischen den Dichtringen ergebenden '⁵ ringfcrmigen Druckraum wird einerseits gewährleistet, daß der auf der Rückseite der Dichtringe herrschenden konstanten Vorspanndruckkraft eine in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen sich ändernde variable Gegenkraft entgegengesetzt wird, die die Einstellung auf den erforderlichen Dichtspalt gewährleistet Dies geschieht dadurch, da" bei Vergrößerung des Dichtspaltes die gegen die Vorspannkraft der Dichtringe wirkende Gegenkraft fällt, während sie bei einer unzulässigen Verringerung des Dichtspaltes und der Gefahr der Berührung ansteigt und somit den Spalt vergrößert Diese Einstellautomatik erfolgt unabhängig von der Höhe des Drucvs im Arbeitsmittel, das die Turbine bzw. Pumpe durchströmt, so daß mit Sicherheit eine Reibberührung verhindert ist.

Durch die Erfindung wird es möglich, einen Leckstrom von Arbeitsmittel durch den Dichtungsspalt überhaupt zu vermeiden, was sehr wichtig ist, weil der Arbeitsstrom Fremdkörper oder Verunreinigungen mit sich führen kann, die einen Verschleiß der Dichtteile bewirken können. Der sich bei der erfindungsgemäßen Dichtung ergebende Leckstrom von Druckwasser ist demgegenüber unerheblich, weil dieses Dmckwasser vorher gereinigt, d. h. gefiltert werden kann.

Es ist zwar durch die DE-PS 7 08 408 bt.eils bekannt, ·"> von beiden Seiten auf einen als Ringmembran ausgebildeten Dichtring Drücke einwirken zu lassen, die r-ich das Gleichgewicht halten. Hierbei wird jedoch kein Druckwasser zur Beaufschlagung der Dichtung benutzt, sondern das Arbeitsmedium selbst, wobei eine Enllastungsleitung vorgesehen ist. durch deren öffnung der Gegendruck so abgesenkt werden kann, daß der Dichtring nicht mehr an der Laufkranzfläche anliegt, sondern an dieser Stelle ein Spalt vorhanden ist, durch den Spaltwasser als Leckstrom abfließt. Eine berührungslose Abdichtung ohne Leckstrom von der Hochdruckseite nach der Niederdruckseite ist demgemäß hier nicht möglich.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische axiale Scrnittansicht einer einen Generator antreibenden Wasserturbine;

F i g. 2 in größerem Maßstab einen Axialschnitt der Kranzabdiclitung der Turbine nach Fig. 1;

Fig.3 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kranzab' dichtung;

F i g. 4 einen in noch größerem Maßstab gezeichneten Teilschnitt einer Einzelheit der Dichtung gemäß F i g, 3.

Die Wasserturbine gemäß Fig. 1 Weist ein Laufrad 2 auf, das eine Nabe 4 mit vier Schaufeln 6 besitzt. Die

Nabe 4 wird von einem Lager getragen, das von einem Rumpf 8 getragen wird, der in der Mitte des Strömungskanals 9 durch vier radiale Leitschaufeln 10 gehaltert isL Weitere einstellbare Einlaßleitschaufeln 12 sind dem Laufrad vorgeschaltet. Diese Leitschaufeln 12 sind um radiale Achsen schwenkbar durch Drehung eines Steuerrings 14, der mit Kurbelarmen 16 an den Radial äußeren Enden der Leitschaufeln 12 angreift

Die Turbine treibt 2tnen Generator an, dessen Rotor 18 am radial äußeren Ende der Laufschaufeln 6 ansetzt to und von einem Stator 20 umschlossen ist. Der Rotor 18 liegt außerhalb des Strömungskanals 9 und behindert daher die Strömung durch den Kanal nicht Der Nasenkonus 22 der Nabe 4 dient zur Erzeugung einer wirbelfreien Strömung.

Die den Gegenstand der Erfindung bildenden Kranzabdichtungen 21 liegen zwischen dem Rotor 18 und je einem von zwei ausbaubaren Ringen 24, die stromauf bzw. stromab des Rotors 18 angeordnet sind. Diese Kranzabdichtungen sind in den Fig 2 bis 4 im einzelnen dargestellt

Die ausbaubaren Ringe 24 besitzen Flansche 25, die stromauf mit einem Ring 26 und stromab mit einem Ring 28 verschraubt sind. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist das benachbart zum Rotor 18 des Generators liegende Ende jedes Rings 24 mit einem Flansch JO ausgestattet, der zwischen dem Mittelteil 32 des Rotors und einer Ringscheibe 34 zu liegen kommt, die am Rotor über einen Profilring 36 festgelegt ist Die Ringscheibe 14 bildet eine ebene starre Stirnring Dichtungsflache 38, jo mit der eine Dichtringscheibe 40 zusammenwirkt. Auf ihrer der Dichtfläche )8 abgewandten Seite ist die Ringscheibe "14 mit Rotorschaufeln 35 ausgestattet, die nach Art einer Zentrifugalpumpe wirken und dem Einströmen von Leckwasser zwischen Flansch 30 und Ringscheibe 34 entgegenwirken und somit die auf die Dichtung wirkende Last vermindern.

Die aus Gummi o. dgl. bestehende Ringscheibe 40 weist einen Steg mit inneren und äußeren sich koaxial erstreckenden Dicnlringen 42 und 44 auf, welche mit der Dichtfläche 38 der Scheibe 34 zusammenarbeiten. Der Steg ist an einem Gehäusering 41 durch drei Spannringe 43, 45, 47 festgeklammert, von denen der Ring 45 zwischen den Ringvorsprüngen in Fingriff steht. Der Ring 41 ist wasserdicht rund um den Ring 24 befestigt. Die Ausnehmung zwischen den Dichtringen 42 und 44 erzeugt eine Ringkammer 46, in weiche gefiltertes Wasser über Durchlässe 49 und 51 eingeführt wird. Der Druck dieses gefilterten Wassers wird größer gehalten als der Wasserdruck im Turbinenkanal, so daß kein Wasser aus dem Turbinenkanal radial nach außen über den Dichtring 42 hinaus vom Raum 48 ausströmen kann, der auf Umwegen während des Betriebes mit der Innenseite des Turbinenk?nals in Verbindung steht

Es wird auch Wasser mit einem vorbestimmten Druck in die hinter den Dichlringen 42 und 44 liegenden Druck-Ringkammern 50 und 52 eingespeist, um so die Dichtringe axial in Richtung auf die Ringscheibe 34 zu drücken. Den durch die Drücke in den Kammern 50 und 32 erzeugten Kräften an den Dichtungen Kräfte m entgegen, welche infolge von Flüssigkeitsdrücken entstehen, die auf die entgegengesetzten Seiten der Dichtringe einwirken, d.h. durch Drücke in dem Ringraum 48, in der Ringkammer 46 und in einem äußeren Ringraum 54, in den etwas Leckwasser von der Ringkammer 46 über den Dichtring 44 eindringt. Diese Drücke sind bestrebt, die Dichtrtnge von der Dichtungsfläche der Ringscheibe 34 wegzudrücken. Für jeden Dichtring wird das Gleichgewicht erreicht, weil der Druck des gefilterten Wassers auf jeden Dichtring dann abnimmt, wenn sich der Dichtring von der Ringscheibe 34 wegbewegt und es zuläßt, daß der aus der Kammer 46 entweichende Wasserstrom ansteigt Dies ist deshalb der Fall, weil die Strömungsgeschwindigkeit über jedem Dichtring ansteigt, wenn der Dichtspalt sich vergrößert, was eine Verminderung des auf den Dichtring einwirkenden Druckes zur Folge ha«, da die Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt wird. Im ausgeglichenen Zustand tritt eine kleine gesteuerte Strömung von gefiltertem Wasser auf, und zwar radial nach innen über den Dichtring 42 und radial nach außen über die Außendichtung hiim eg.

Die beiden Dichtungen können durch zwei getrennte Dichtungsringe 42, 44 gebildet wer Jen. In diesem Fall kann jeder Ring innere und äußere RingkJemmplatten besitzen, welche die Flansche an dem Gehäusering 41 befestigen. Der Wasserdruck in der Turbine nimmt zum Oberteil des Kanals hin ab. Beispielsweise .ider Druck am Oberteil im Faiie eines Läufers mi' 9.14 m Durchmesser um eine Wassersäule von 9,14 m geringer als am Boden. Der Druck am Oberteil innerhalb des Rohres kann tatsächlich sogar kleiner sein, als der atmosphärische Druck. Nichtsdestoweniger muß der Druck des den Ringraum 46 zugeführten sauberen Wassers oberhalb des atmosphärischen Druckes liegen, d?mit der Eintritt von Luft über den äußeren Dichtring 44 hinweg in die Ausnehmung 46 hinein verhindert wird.

In einem oder beiden Dichtringen 42 und 44 können in unifangsmäßigen Abständen sich axial erstreckende öffnungen ausgebildet sein. Diese Öffnungen erstrekken sich zwischen der Kammer 50 oder 52 und der Dichiungsfläche des Rings oder der Ringe. Dies kann abhängig von den auf die Dichtringe einwirkenden Relativdrücken notwendig sein.

Bei dieser Kranzdichtung kann kein schmutziges Wasser von dem Turbinenkanal über die Dichtung hinweg fließen. Das nach außen über ilen äußeren Dichtring 44 in den Raum 54 fließende Leckwasser wird über ein Rohr 56 weggepumpt, welches mit einem statiotiären wasserdichten Gehäuseteil 58 verbunden ist, das seinerseits den Kanal 24 umgibt und an diesem befestigt ist. Der Ring 58 weist einen zylindrischen Teil 60 auf. der eine lose mit einem Teil des Profilringes 36 zusammenwirkende Dichtfläche bildet. Ferner weist der Ring 58 einen weiteren zylindrischen Teil 62 auf, der ebenfalls eine lose mit einem Teil des Profilringes 36 zusammenarbeitende Dichtungsfläche bildet Wenn irgendwelches nicht durch das Rohr 56 abgezogenes Wasser bei 60 über die umlaufende Dichtung gelangt, so kann es dort durch ein weiteres Rohr 64 abgezogen werden· sr'itii tatsächlich irgendwelches Wasser die Laufdichtung bei 62 durchsetzen, so wird es vom Stator des Generators durch eine Ablenkvorrichtung 66 weggeschleudert. Obwohl die Rohre 56 und 64 in F i g. 2 angedeutet sind, so iind sie doch tatsächlich am Bodenteil des Rings 58 angeordnet.

Der Mittelteil 32 des Rotors ist, um ein geringes

Gewicht zu erreichen, mit Ausnehmungen 68 ausgebil· det Auf entgegengesetzten Seiten des Rotors 32 sind Abdeckplatten 72 vorgesehen, weiche sich über die Ausnehmungen 68 erstrecken und dicht gegenüber dem Flansch 30 der Ringe 24 liefen. Der Flansch 30 besitzt in jedem Fall eine Ausnehmung, weiche teilweise ein sich in Umfängsrichtung erstreckendes biegsames Rohr 74 aufnimmt, welches durch einen inneren Strömungsmitteldruck zur Ausdehnung gebracht werden kann, um

gegenüber der Platte 72 ein Abdichten zu bewirken, wodurch die anderen Dichtungen vollständig vom Wasser im Turbinenrohr getrennt werden.

Die in Fig.2 gezeigte Doppeldichtung ist für eine Turbine geeignet, die durch Seewasser angetrieben wird, welches eine bestimmte Sandmenge mitführt. Wenn die Turbine durch sauberes frisches Wasser angetrieben wird, so kann der äußere Dichtring 44 weggelassen werden. Der Dichtring 42 wirkt dann im ausgeglichenen Zustand als eine hydrostatische Dichtung, wobei der Druck in der Kammer 50 den Dichtring 42 dicht gegenüber der Ringscheibe 34, jedoch frei von diesem hall, und zwar entgegen der Wirkung des Druckes an der konvexen entgegengesetzten Fläche des Dichtrings 42.

Bei der in den Fig.3 und 4 dargestellten Kranzdichtung trägt eine Seitenwand des Rotors 32 eine Ringplatte 302, deren radial verlaufende Oberfläche 304 eine ebene starre Dichtungsoberliäche bildet, die sich zusammen mit dem Rotor bewegt.

An dem Kanal 24 ist ein Gehäusering 306 wasserdicht befestigt, welcher gegenüber der Rotordichtfläche 304 mit axialem Abstand liegt.

In dem Gehäusering 306 sind zwei Ringe aus in Ümfangsrichtung mit Abstand angeordneten elastisch befestigten Buchsen 308 untergebracht; jede derartige Buchse wird von einem Gummiring 310 wasserdicht gehaltert, wobei der Ring 310 sHhsi mit einer geflanschten Rohrbefestigungsvorrichtung 312 verbunden ist.

Zwischen der Rotordichtungsfläche 304 und dem Gehäusering 306 sind zwei Ringe 314, 316 koaxial zueinander angeordnet, die in ihrer Stellung durch Stifte 318 gehalten sind, welche von an den Außenflächen befestigten Nasen 320 getragen werden. Die Stifte 318 sind gleitend in den Buchsen 308 auf Lagerbuchsen 322 geführt

Jeder Ring 314, 316 weist einen im ganzen U-förmigen Querschnitt auf und trägt an seinem geschlossenen Ende einen Dichtring 324 aus Gummi, welches mit der Rotordichtungsfläche 304 zusammenwirkt Innerhalb jedes Rings 314, 316 ist ein im Querschnitt U-förmiger Ring 326 geführt. Der eine Dichtrand 328 dichtet gegenüber einer Innenfläche des Ringes 314, 316 ab, während der andere Rand 330 gegenüber der benachbarten Oberfläche den Gehäusering 306 abdichtet Jedes Verschlußglied wird in seiner Stellung durch einen Federring 332 gehalten.

Da im Betrieb die Versorgung des gefilterten Wassers unter einem größeren Druck gehalten wird als der im Turbinenkanal ,orhandene Druck, übersteigt der Druck im Druckraum 334,333 denjenigen in dem vom inneren Ring umschlo3senen Ringraum 336, so daß gefiltertes Wasser zwischen dem inneren Dichtring 324 und der Rotordichtungsfläche 304 in den Turbinenkanal entweicht.

An jedem Umfangsteil eines jeden Ringes 314,316 ist dieser Ring entgegengesetzt wirkenden Axialkräflcn ausgesetzt, d. h. einer konstanten von links nach rechts wirkenden Kraft und einer veränderlichen von rechts nach links wirkenden Kraft, wobei die konstante von

to links nach rechts wirkende Kraft infolge des gleichförmipen Druckes im Raum 304 auftritt, der auf die in Fig.4 durch den radialen Pfeil 340 angedeutete Ringfläche einwirkt, und wobei die veränderbare von rechts nach links wirkende Kraft infolge des nichtgieichförmigen Druckes auftritt, der auf die ringförmige durch den Radialpfeil 342 (in Fig.4) angedeutete Dichlungsstirnfläche des Dichtungselcmentes einwirkt Das Gleichgewicht dieser Kräfte ist dann erreicht, wenn der Axialspalt zwischen der Rotordichtungsfläche und dem Dichtungselement auf einem gewünschten niedrigen Wert sirh befindet

Eine Bewegung der Rotordichtungsfläche 304 beispielsweise nach rechts (möglicherweise infolge einer Biegung des Turbinenläufers bei Belastung oder infolge einer Ungenauigkeil bei der Bearbeitung der Rotordichtungsfläche 304) hat eine Vergrößerung des Axialspalles und infolgedessen eine vergrößerte Austrittsrate von gefiltertem Wasser zur Folge. Als Folge der vergrößerten Geschwindigkeit des austretenden Wassers nehmen die Drücke im Spalt ab, so daß das Gleichgewicht der Axialkräflc am Ring zeitweise gestnrt ist, und der Ring folgt der Rotordichtungsfläche mit einer Bewegung nach rechts und vermindert wiederum die Spaltabmessung auf den gewünschten niedrigen Wert, bei dem der Ring im Gleichgewicht verbleibt, wobei die Austrittsrate des gefilterten Wassers auf einem gewünschten niedrigen Wert gehalten wird.

Bei einer Abwandlung der unter Bezugnahme auf Fig.3 beschriebenen Dichtung, sind die Verschlußglieder 326 durch aufblasbare Kapseln ersetzt, die innerhalb der Ringe angeordnet sind und von der unter Druck stehenden Strömungsmittelquelle gespeist werden, weiche für die Druckkammer 50 und 52 der Fig.2 verwendet wird.

In F i g. 3 trägt der Kanal 24 in einem Ringkanal 344 einen Trennring 346 aus Gummi, der unter Druck zu einer Trennfläche 348 hin gleiten kann, die an dem Rotor 32 ausgebildet ist. Ein unter Druck stehendes Strömungsmittel wird immer dann diesem Kanal zugeführt, wenn die Trennung der Dichtung.^cirorrichlung vom Turbinenrohr zum Zwecke der Überprüfung oder V/artung der Dichtung erforderlich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kranzabdichtung für das Laufrad von Wasserturbinen und Pumpen mit wenigstens zwei konzentrisch zueinander im Statorgehäuse mit radialem Abstand zueinander angeordneten Dichtungsringen, die mit einer Stirnringfläche des Laufrades zusammenwirken und in axialer Richtung auf diese Slirnringfläche durch eine Druckflüssigkeit vorgespannt sind, die in Druckkammern auf ihrer Rückseite lastet, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammern (50, 52; 333) auf der Rückseite der Dichtringe (42, 44; 324) mit der von der Laufradstirnringfläche (38; 304), den Dichtringen (42, 44; 324) und den Gehäusering (41; 306) begrenzten Ringkammer (46; 334) in Verbindung steht.

2. Kranzabdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dichtringe (42, 44) einstückig mit euer Ringscheibe (40) hergestellt sind, die durch Spannringe (43, 45, 47) am Gehäusering (41) festgelegt sind, und daß die Druckiiiigkäifuiiirii (5G₅ 52} auf der Rückseite der Dichtringe (42, 44) über Durchlässe (51) von Gehäusering (41), Ringscheibe (40) und mittleren Spannring (45) mit der vorderen Druckkammer (4ö) in Verbindung stehen.

i. Kranzabdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (324) von Ringen (314, 316) getragen werden, die einzeln axial verschieblich in Lavem (318, 322) des Gehäuseringes (306) geführt sind.

4. Kranzabdichtung nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (114, Mb) von dem Gehäusering (306) über einen elastischen, eir«e Dichtung (328) tragenden Ring (332) getragen sind.

5. Kranzabdichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (314, 316) axial verschieblich durch über den Umfang verteilte Stangen (318) geführt sind, die in entsprechenden Lagerbüchsen (322) des Gehäuseringes verschiebbar sind.

b. Kranzabdichtung nach den Ansprüchen 3 bis 'i, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Vorspanndruck wirksame Stirnringfläche (MO) kleiner ist als die dem Leckstrom an der Dichtung ausgesetzte Stirnringfläche (342).