DE19611677C2 - Berührungsfreie Dichtung mit einem schwimmenden Ring - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine berührungsfreie Dichtung mit einem schwimmenden Ring zur Abdichtung mindestens einer Fuge zwischen einem Laufrad und einem Gehäuse einer mit Wasser beaufschlagten Überdruckturbine, wobei der schwimmende Ring im Gehäuse verdrehsicher gelagert ist und sich an diesem elastisch abstützt.

In Wasserkraftwerken werden häufig Überdruckturbinen eingesetzt. Bei den Überdruckturbinen ist der Druck am Laufradeintritt größer als am Laufradaustritt. Beispielsweise bei einer Francisturbine strömt das über einen Schacht oder einen Spiralkanal zur Verfügung gestellte Druckwasser radial von außen durch einen Leitkanal in das Innere des Laufrades. Dabei wird der Wasserstrom im Laufrad in axiale Richtung umgelenkt. Das zentral ausfließende Wasser wird in einem Saugrohr weitergeleitet.

Das Laufrad einer Francisturbine besteht aus einem Satz einfach oder doppelt gekrümmter Radialschaufeln, die sich zwischen einem Außen- und Innenkranz erstrecken. Der Innenkranz, der sog. Laufradboden, ist an der Turbinenwelle angeflanscht.

Ein Teil des Wassers fließt - z. B. beim Turbinenbetrieb - auf dem Wege vom Leitkanal zum Saugrohr außerhalb des Laufrades an diesem entlang. Es tritt durch den Radseitenraum zwischen Laufradboden und dem ortsfesten Turbinendeckel bzw. zwischen dem Leitring und dem Laufradkranz hindurch. Dieser Leckwasserstrom beeinflußt den Wirkungsgrad nachteilig.

Um den Leckwasserstrom zu verringern, werden im axialen Spaltbereich berührungsfreie Dichtungen eingesetzt. Zu diesen Dichtungen gehören u. a. der glatte Spalt und der Labyrinthspalt. Beide Dichtungen lassen eine axiale Verschiebung zwischen Laufrad und Gehäuse zu. Zur Minimierung der Leckage muß die Spaltweite entweder sehr klein oder die Spaltlänge sehr groß sein. Kleine Spaltweiten sind bei Wasserturbinen kaum zu realisieren. Theoretisch liegen die gewünschten Spaltweiten im Bereich der Rund- und Planlauftoleranzen großer Laufräder. Außerdem unterliegt das Laufrad im Betrieb unvermeidbaren Wellenschwingungen, die zu einem minimalen Taumeln des Laufrades führen. Die dadurch bewirkten Radialbewegungen führen bei engen Spalten zwangsläufig zum Anstreifen im Dichtungsbereich. Folglich müssen - anstelle eines engen Spaltes - relativ lange Spaltdichtungen verwendet werden. Diese haben aber den Nachteil hoher Reibungsverluste. Alternativ können auch Labyrinthdichtungen mit komplizierten Formen verwendet werden, die jedoch zum einen kostenintensiv in der Fertigung und der Montage sind, und zum anderen kaum Axialspiel erlauben. Außerdem können derartige Dichtungen destabilisierende Kräfte erzeugen.

Bekannt sind auch berührungsfreie Dichtungen mit schwimmenden Ringen, sog. Schwimmringdichtungen. Bei dieser Konstruktion sind in einem langen Zylinderspalt mehrere hintereinandergeschaltete radial bewegliche Drosselringe angeordnet, wobei jeder Drosselring in einem eigenen Gehäuseeinstich angeordnet ist. Die Ringe werden durch Stifte gegen Verdrehen gesichert und im drucklosen Zustand im Gehäuseeinstich so angepreßt, daß jeder druckbeaufschlagte Drosselring nur im axialen Spalt durchströmt wird. Aufgrund des Lomakin-Effektes zentrieren sich die Drosselringe selbsttätig in ihren Gehäuseeinstichen. Dabei folgen sie den jeweiligen Wellenauslenkungen oder Gehäuseverkrümmungen.

Auch diese Dichtung benötigt eine große Baulänge, wodurch sie große Reibungsverluste erzeugt. Außerdem ist sie in einer Radialdichtung nicht verwendbar, da das Zentrieren auf dem schwingenden Laufrad aufgrund der Druckschwankungen kaum möglich ist.

DE-PS 719 267 beschreibt eine Wasserturbine, bei der dem Außenkranz des Laufrades ein Spaltdichtungsring zugeordnet ist. Dabei ist die Dichtung zwischen dem Laufradkranz und einem feststehenden Teil der Turbine angeordnet. DE-PS 2 65 282 behandelt ebenfalls eine Turbine. Dabei ist ein umlaufender Dichtungsring zwischen dem Laufrad und dem Leitrad vorgesehen. Der Ring bildet mit dem festen Teil der Turbine einen ringförmigen Hohlraum für eine unter Druck stehende Flüssigkeit, die den Ring gegen das Laufrad andrückt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine berührungsfreie Dichtung für den durchströmten Radseitenraum in Überdruckturbinen zu schaffen, die eine hohe Dichtwirkung bei kleinen Reibungsverlusten aufweist. Auch soll die Dichtung verschleißarm sein und wenig Bauraum benötigen. Ferner sollen die aus dem Bereich des Standes der Technik bekannten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Es wird somit eine besondere Dichtung vorgesehen, die zwischen dem Laufradkranz und dem Leitradring bzw. im Radseitenraum zwischen dem Laufradboden und dem Turbinendeckel angeordnet wird. Das Dichtelement weist auf seiner einen Seite, nämlich auf derjenigen, die dem umlaufenden Teil zugewandt ist, zwei Zonen auf. Die eine dieser Zonen übernimmt eine Dichtfunktion, indem sie berührungslos dichtet (z. B. als Labyrinthdichtung), während die andere Zone eine Zentrierfunktion ausübt.

Die dem feststehenden Turbinenteil zugewandte Seite des Dichtelementes umfaßt ein elastisches Abstützelement sowie ein Dichtelement.

Bei dieser Konstruktion wird der äußere, gehäuseseitige und nicht rotierende Teil der berührungsfreien Radialdichtung als separater Ring ausgeführt. Der Ring ist dabei so gelagert, daß er zumindest den niederfrequenten Schwingungen des Laufrades folgen kann. Er wird über ein elastisches Element oder eine elastische Abstützvorrichtung in zentrischer Position gehalten. Am Laufrad stützt er sich mit Hilfe einer Gleitlagerung ab. Der Gleitlagerspalt wird vom Leckagewasser durchströmt. In die Gleitlagerfläche des Ringes können zur Verbesserung der Tragwirkung Keilflächen eingearbeitet sein, so daß sich schon beim Anlaufen der Turbine ein hydrodynamischer Wasserfilm zwischen dem Laufrad und dem Ring bildet. Der Wasserfilm hält den Ring gegenüber dem Laufrad auf einem nahezu konstanten Abstand.

Neben der Zone des hydrodynamischen Gleitlagers liegt diejenige Zone, die die Dichtfunktion hat, z. B. eine Labyrinthspaltkontur oder ein Messerschneidenprofil. Eine Labyrinthspaltkontur weist z. B. zwei am Ring angeordnete Drosselkammern auf. Die Folge der beiden genannten Zonen, die die Dichtfunktion und die Zentrierfunktion ausüben, ist nicht von primärer Bedeutung. So kann in Durchströmungsrichtung gesehen zunächst die Dichtungszone und dann die Zentrierzone vorgesehen sein, oder umgekehrt. Der Spalt zwischen dem Dichtelement und dem umlaufenden Teil der Turbine ist stets wenigstens annähernd konstant. Dadurch kann Leckagewasser am Dichtspalt vorbei zur Gleitlagerung des Ringes vordringen.

Damit das Leckagewasser nicht unter Umgehung der berührungslosen Dichtung und der Ringgleitlagerung zwischen dem Ring und dem feststehenden Turbinenteil hindurchströmt, ist neben dem Element zur elastischen Abstützung des Ringes noch eine Dichtung vorgesehen. Diese Dichtung kann beispielsweise am Ring und/oder am Turbinendeckel befestigt sein. Dabei kann es sich um eine Tellerfeder, einen Balg, eine Manschette oder dergleichen handeln. Anstelle einer mechanischen Dichtung kann auch eine hydrostatische Lagerung verwendet werden. Die Abdichtfunktion und die elastische Abstützungsfunktion können auch in einem einzigen Element kombiniert werden.

Zur Verdrehsicherung des Ringes ist an dessen Außenkontur ein vorstehendes Element oder eine Aussparung angeordnet, die mit Radial- und Axialspiel mit einer entsprechenden Aussparung oder einem vorstehenden Element im gegenüberliegenden Gehäuseteil verzahnt ist. In der Außenkontur des Ringes kann hierzu ein in einer Radialbohrung befestigter Bolzen angeordnet sein, der in eine in das Gehäuse eingefräste Nut hineinragt.

Die Verdrehsicherung kann ggf. auch das elastische Dichtungselement übernehmen. Dazu muß es kraft- oder formschlüssig den Ring mit dem Gehäuse verbinden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen und schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel.

Die Figur zeigt einen Ausschnitt einer Francisturbine. Man erkennt hierbei einen Spalt 1, der den Bereich hohen Druckes vor dem Laufrad mit dem Bereich niederen Druckes hinter dem Laufrad verbindet. Die berührungsfreie Dichtung liegt innerhalb des Spaltes 1.

Die Dichtung, die primär aus dem im Spalt 1 schwimmenden Ring 11, dem sogenannten Spaltring, besteht, ist in Fig. 1 auf ihrer linken Seite vom Laufrad 30 umgeben. Der zur Dichtung benachbart liegende Teil des Laufrades 30 ist der Laufradkranz 32. Der Laufradkranz 32 erstreckt sich bei Pumpen von der Laufradeintrittskante 33 bis zur nicht dargestellten Laufradaustrittskante. Gegenüber dem Laufradaußenkranz 32 liegt - neben dem Spaltring 11 - der Leitradring 41, an dem das nicht dargestellte Saugrohr mit dem Saugrohrflansch 40 angeschlossen ist. Zwischen dem Spaltring 11 und der Laufradaustrittskante ist der Spalt 1 schmal ausgebildet.

Der Spaltring 11 ist in dem vom Laufradaußenkranz 32, dem Leitradring 41 und dem Saugrohrflansch 42 umgebenen Raum mit Spiel beweglich angeordnet. Er kann sich geringfügig in radialer und axialer Richtung bewegen. Eine Drehbewegung um die Mittellinie 31 des Laufrades 30 wird durch eine Verdrehsicherung 22 verhindert.

Der Spaltring 11 hat im wesentlichen die Form eines kurzen Rohres. Die Innen- und die Außenkontur sind zylindrisch. Die zum feststehenden Teil 41 gewandte rückwärtige Fläche 28 ist zylindrisch und glatt ausgebildet. Die ihr gegenüberliegende Fläche ist abgestuft gestaltet, wobei der an die Außenkontur angrenzende Bereich die volle Ringbreite hat. Dieser Bereich ist die Labyrinthspaltzone 12. Daneben liegt die Gleitlagerzone 16. Die Hüllkontur dieser Zone verläuft planparallel zur rückwärtigen Fläche 28. In der Zone 16 können zur Verbesserung der Tragwirkung keilförmige Vertiefungen eingearbeitet werden. Sie bilden in Laufraddrehrichtung sich verjüngende Keilflächen 17, wie sie in axialen, hydrodynamischen Gleitlagern verwendet werden.

Vorzugsweise ist der radiale Abstand zwischen der Hüllfläche der Gleitlagerzone 16 und dem Laufrad 30 geringfügig kleiner als der radiale Abstand zwischen den Drosselelementen 13 und dem Laufrad. Auf diese Weise liegen bei einem Stillstand der Francisturbine die Drosselelemente 13 nicht auf dem Laufradkranz 32 auf, so daß sie zum einen beim Anfahren nicht durch mechanische Reibung abgenutzt werden können und zum anderen genug Leckagewasser in die Gleitlagerzone 16 durchlassen, um einen hydrodynamischen Film zwischen der Gleitlagerzone 16 und dem Laufradaußenkranz 32 ausbilden zu können.

Die Zonen 12 und 16 verbindet ein kegelstumpfförmiger Absatz. Die Mantellinie des Absatzes schließt mit der Laufradmittellinie 31 einen Winkel ein, der kleiner als 45° ist.

Der Spaltring 11 nimmt beim Stillstand der Turbine eine mittlere Position an da er mit Hilfe eines elastischen Elements 26 zentriert wird. Das elastische Element 26 kann eventuell mit einer Dichtfunktion kombiniert werden. Als Beispiel bei ein dichtender Federbalg aufgezeigt, der beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist. Der Federbalg ist an dem feststehenden Teil befestigt. Am Spaltring 11 liegt er dicht an.

Bezugszeichenliste

1 Spalt, Radseitenraum
5 Zone niedrigen Druckes
6 Zone hohen Druckes
11 Ring, Spaltring
12 Labyrinthspaltzone
13 Drosselelemente
16 Gleitlagerzone
17 Keilfläche
22 Verdrehsicherung
26 elastisches Element
27 Dichtelement
28 rückwärtige Stirnfläche
30 Laufrad
31 Drehachse, Mittellinie des Laufrades
32 Laufradkranz
33 Laufrad-Schaufelkante
40 Saugrohrflansch
41 Leitradring

Claims (6)

1. Berührungsfreie Dichtung mit einem schwimmenden Ring zur Abdichtung mindestens einer Fuge zwischen einem Laufrad und einem Gehäuse einer mit Wasser beaufschlagten Überdruckturbine, wobei der schwimmende Ring im Gehäuse verdrehsicher gelagert ist und sich an diesem elastisch abstützt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• 1.1 die Dichtung ist zwischen dem Laufradkranz (32) und dem Leitradring (41) bzw. im Radseitenraum zwischen dem Laufradboden und dem Turbinendeckel angeordnet;
• 1.2 die Dichtung weist auf ihrer dem umlaufenden Teil zugewandten Seite zwei Zonen auf, nämlich eine Zone, die eine berührungslose Dichtungsfunktion ausübt (z. B. Labyrinthdichtung), und eine weitere Zone, die eine Zentrierfunktion ausübt;
• 1.3 zwischen der Dichtung und dem feststehenden Maschinenteil sind ein Element (26) zum elastischen Abstützen sowie ein Dichtelement vorgesehen.

2. Berührungsfreie Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (12) der berührungsfreien Dichtfunktion wenigstens zwei Drosselelemente (13) aufweist.

3. Berührungsfreie Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (26) zur elastischen Abstützung des Ringes (11) gleichzeitig als Dichtelement ausgebildet ist.

4. Berührungsfreie Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verdrehsicherung des Ringes (11) an dessen Außenkontur ein vorstehendes Element (22) oder eine Aussparung angeordnet ist, die mit Radial- und Axialspiel mit einer entsprechenden Aussparung (44) oder einem vorstehenden Element im gegenüberliegenden Gehäuseteil (42) verzahnt ist.

5. Berührungsfreie Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Abdichtung des schwimmenden Ringes (11) gegenüber dem feststehenden Gehäuse als elastisches Dichtelement oder als hydrostatische Lagerung ausgebildet ist.

6. Berührungsfreie Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (26) derart gestaltet ist, daß es die Funktion einer Verdrehsicherung hat.