DE2439151A1

DE2439151A1 - Wellen-dichtung fuer einen rotor einer dynamoelektrischen maschine zur verhinderung von fluessigkeitsleckagen

Info

Publication number: DE2439151A1
Application number: DE2439151A
Authority: DE
Inventors: Little P Curtis; George F Dailey; Sui-Chun Ying
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-08-16
Filing date: 1974-08-14
Publication date: 1975-02-27
Also published as: JPS5045903A; GB1475533A; FR2241155A1; CH595712A5; ES429258A1; SE402156B; IT1017997B; BE818825A; JPS5419904U; CA985727A; BR7406676D0; FR2241155B1; IN141418B; US3831046A; SE7410484L

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt O / O Q *| C 1

4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 13. August 1974

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Wellen-Dichtung für einen Rotor einer
dynamoelektrischen Maschine zur Verhinderung von Flüssigkeitsleckagen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wellendichtung für einen Rotor einer dynamoelektrischen Maschine, insbesondere auf flüssigkeitsgekühlte Läufer oder Rotoren großer Turbinengeneratoren .

Große Turbinengeneratoren sind üblicherweise innen- oder direktgekühlt, wobei ein Kühlflud durch Leitungen in den Stator- und Rotornuten in unmittelbarem thermischem Kontakt mit den stromführenden Leitern innerhalb der Grundisolation umgewälzt wird. Dabei ergibt sich ein sehr wirksames Kühlsystem, das eine starke Erhöhung der Maximalnennwerte großer Generatoren ermöglicht, ohne die zulässigen Grenzen räumlicher Abmessungen zu überschreiten. Das für solche Maschinen eingesetzte Kühlmittel war üblicherweise Wasserstoff, der das gasdichte Gehäuse füllt und durch ein Gebläse oder einen Ventilator auf der Rotorwelle durch die Leitungen bzw, Kanäle in den Stator- und Rotorwicklungen und durch Kanäle im Statorkern umgewälzt wird.

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Telefon (0211) 32 08 58 Telegramme Custopat ^v

Die für große Generatoren geforderten Maximalnennwerte sind fortlaufend angestiegen, so daß die Kühlung dieser Maschinen in den größten Abmessungen weiter verbessert werden muß. Eine erhebliche Verbesserung der Kühlung läßt sich durch Verwendung wirksamerer Kühlflude wie Flüssigkeiten erzielen. Das erfolgte bei Statoren durch Umwälzung eines flüssigen Kühlmittels wie Wasser durch die Kanäle in der Statorwicklung, so daß eine beträchtliche Erhöhung der Kühlung erzielt werden konnte. Eine erhebliche weitere Verbesserung läßt sich erzielen, indem auch der Rotor mit Flüssigkeit gekühlt wird, wobei eine geeignete Flüssigkeit wie Wasser durch Kanäle in den Rotorwicklungen umgewälzt wird.

Jedoch ergeben sich bei der Umwälzung eines flüssigen Kühlmittels durch die Kanäle im Rotor eines großen Generators, der mit hoher Drehzahl von allgemein 3000 bis 3600 Upm umläuft, viele Probleme. Eines der schwierigsten Probleme besteht in der Einleitung der Flüssigkeit in den Rotor bzw. in deren Entladung von diesem. Die Flüssigkeit wird vorzugsweise längs der Achse der Welle eingeleitet, wo die auf die Flüssigkeit einwirkende Zentrifugalkraft ein Minimum hat, und durch Radialkanäle in der Rotorwelle abgeführt« -. Ein verhältnismäßig großes Flüssigkeitsvolumen muß in den Rotor unter genügend Druck eingeleitet werden, um die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit durch den Rotor aufrechtzuerhalten, und die gleiche Flüssigkeit wird vom Rotor bei hoher Geschwindigkeit und unter hohem Druck in eine stationäre Kühl-Entladungskammer abgegeben, von der sie abgeführt wird.

In einem flüssigkeitsgekühlten Rotor müssen geeignete Dichtungen

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sowohl an den Eintritts- als auch den Austrittsöffnungen oder -kanälen vorgesehen sein, jedoch bereitet die Anordnung solcher Dichtungen wegen der auftretenden hohen Geschwindigkeit der Flüssigkeit und der ebenfalls dabei auftretenden Drücke erhebliche Probleme.

Die bekannten Ausführungen von Dichtungen für umlaufende Wellen haben alle ernsthafte Nachteile, wenn sie in Verbindung mit einer Welle einer großen dynamoelektrischen Maschine eingesetzt werden. Labyrinth-Dichtungen sind allgemein bekannt, jedoch sind solche Dichtungen für Kühlflüssigkeiten wie Wasser wegen der großen Abstände oder Zwischenräume, die zwischen dem Dichtungsgehäuse und der umlaufenden Welle verbleiben müssen, nicht wirksam. Ebenso sind Labyrinth-Dichtungen in Verbindung mit Flüssigkeiten unwirksam, die wie Wasser eine niedrige Viskosität haben, was zu einer übermäßigen Leckage durch die Dichtung führt.

Reibungs- oder Gleit-Dichtungen sind ebenfalls allgemein bekannt. Solche Dichtungen sind jedoch für große flüssigkeitsgekühlte Turbinengenerator-Rotoren wegen der sehr hohen Reibgeschwindigkeiten, die größer als 6000 m pro Minute (20.000 Fuß pro Minute) sein können, ungünstig. Solche Geschwindigkeiten führen zu einer sehr raschen Abnutzung bei übermäßiger Erwärmung und übermäßigen Reibungsverlusten .

Fludfilm-Stopfbuchsen-Dichtungen mit stationären Dichtungsringen sind für die schwierigen Bedingungen des Flüssigkeitsaustritts in eine dem Dichtring benachbarte Kammer geeigneter, die auf atmo-

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sphärischem Druck gehalten wird und abgedichtet wird, uiti den Austritt der Flüssigkeit längs der Welle zu verhindern. Eine angrenzende Kammer, die Luft mit einem Druck oberhalb des Atmosphärendrucks enthält, wird vorgesehen, um die Flüssigkeit am Austritt von der unter atmosphärischem Druck stehenden Kammer zu hindern. Auf diese Weise wird für eine große Flüssigkextsmenge bei hoher Geschwindigkeit und hohen Drücken eine sehr wirksame Dichtung geschaffen.

Jedoch haben empirische Untersuchungen gezeigt, daß für eine mit Wasser gefüllte und unter Druck stehende Entladungskammer der Reibwiderstandsverlust einer untersuchten Welle mit etwa 52 cm Durchmesser annähernd 280 kW über 20 cm durchgehenden Wasserkontakt ausmacht. Außerdem führt der Betrieb des Dichtungs-Untersuchungsmodells mit einer unter Druck stehenden Entladungskammer zu Kavitation an der Schnittstelle der Rotorfläche und der Begrenzungsöffnung für alle Drehzahlen über etwa 3000 m pro Minute (10.000 feet pro Minute).

Mit Erhöhung des Entladungskammerdrucks wurde gefunden, daß die Kavitation nur geringfügig gemildert wird. Wie dem einschlägigen Fachmann allgemein geläufig, entsteht Kavitation durch den Aufbau und das rasche Zusammenbrechen von 'Blasen innerhalb einer Flüssigkeit, wenn der örtliche statische Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit absinkt.

Da Kavitation angrenzend an eine Rotorfläche auftritt, kann es zu einer Erosion"und zu Lochfraß an der Oberfläche kommen. Das

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abrupte Zusammenbrechen der durch Kavitation gebildeten Blasen führt auch zu Lärmentwicklung und unnötiger Vibration, wodurch Leistungsverhalten und Wirksamkeit der Anordnung in schädlicher Weise beeinträchtigt werden.

Sowohl das Problem der Kavitation als auch des Wirkungsgradverlustes lassen sich durch Verwendung einer teilweise gefüllten Kühlmittel-Entladungskammer überwinden. Ohne einen massiven Wasserkörper um die Rotorfläche, wie das bei dem Stand der Technik üblich war, wurde gefunden, daß die gemessenen Widerstandsverluste unbedeutend waren. Es ist offensichtlich, daß die Beseitigung dieser Widerstandsverluste die Wirksamkeit bzw. den Wirkungsgrad der Anordnung erhöht. Da die Kühlmittel-Entladungskammer ein gasförmiges Flud enthält, kann sie sich nicht vollständig mit Kühlmittel-Flüssigkeit füllen, so daß Kavitation unmöglich ist. Jedoch treten die gleichen Probleme hinsichtlich Verunreinigung der Kühlflüssigkeit, wie sie sich bei dem Stand der Technik ergeben, auch hinsichtlich der teilweise gefüllten Kühlmittel-Entladungskammer auf. Es ist daher notwendig, eine Dichtungseinrichtung vorzusehen, die eine Verschmutzung der Kühlmittel-Flüssigkeit verhindert.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist somit die Schaffung einer Dichtung, die die Leckage der behandelten Kühlmittel-Flüssigkeit minimiert, um die Kosten der Behandlung der Kühlmittel-Flüssigkeit zu begrenzen. Ferner soll erfindungsgemäß eine Dichtung geschaffen werden, bei der WiderstandsVerluste, wie sie durch eine vollständig gefüllte Kühlmittel-Entladungskammer hervorgerufen werden, beseitigt werden, um somit den Wirkungsgrad der Anordnung zu erhöhen.

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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Wellen-Dichtung für einen Rotor einer dynamoelektrischen Maschine zur Verhinderung von Flüssigkeitsleckagen erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung einen stationären Grundkörper mit geringem Abstand von der Welle und einer ersten und einer zweiten axialen Seite, in dem eine Flüssigkeits-Abgabekammer mit einem darin befindlichen gasförmigen Flud angeordnet ist; einen die Welle mit einem kleinen Abstand neben der ersten axialen Seite des Grundkörpers umgebenden ersten stationären Dichtungsring, wobei der kleine Abstand mit der Flüssigkeits-Abgabekammer kommuniziert; eine erste Leitung zur Einführung einer ersten Dichtungsflüssigkeit in den Abstand zwischen dem ersten Dichtungsring und der Welle, wobei die erste Dichtungsflüssigkeit auf einem vorgegebenen Druck gehalten wird; eine zweite Leitung zur Einführung einer zweiten Dichtungsflüssigkeit in den Abstand zwischen dem ersten Dichtring und der Welle, wobei die zweite Dichtungsflüssigkeit auf einem den Druck der ersten Dichtungsflüssigkeit nicht übersteigenden Druck gehalten wird und die erste Dichtungsflüssigkeit in dem Abstand zwischen dem ersten Dichtungsring und der Welle zwischen der Flüssigkeits-Abgabekammer und der zweiten Dichtungsflüssigkeit angeordnet ist; eine erste die Welle neben dem ersten Dichtungsring umgebende stationäre Kammer, die mit dem Abstand zwischen dem ersten Dichtring und der Welle in Verbindung steht, wobei die erste stationäre Kammer die aus dem Abstand zwischen dem ersten Dichtungsring und der Welle austretende erste und zweite Dichtungsflüssigkeit aufnimmt und auf einem ersten vorgegebenen Druck gehalten wird; eine erste . Labyrinth-Dichtung zur Abdichtung der ersten stationären Kammer; sowie eine Einrichtung zur Flüssigkeitsabfuhr von der ersten

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stationären Kammer aufweist.

Vorzugsweise hat die Dichtung eine stationäre Kühlmittel-Entladungskammer, die um die Rotorwelle mit einem sehr kleinen Abstand zwischen dem Entladungskammergehäuse und der Rotorwelle angeordnet ist. Die Kühlmittel-Entladungskammer enthält ein gasförmiges Flud.

Das von dem Rotor abgegebene Flüssigkeits-Kühlmittel wird zunächst in die stationäre Kühlmittel-Entladungskammer eingeleitet. Ein stationärer Dichtungsring umgibt die Welle in einer Ringkammer, die neben der stationären Kühlmittel-Entladungskammer angeordnet ist. Der Dichtring umgibt die Welle mit einem kleinen Zwischenraum oder Abstand. Um die Leckage der Kühlmittel-Flüssigkeit durch den Abstand oder Zwischenraum zwischen dem Dichtungsring und der Rotorwelle auf einem Minimum zu halten, wird eine erste Dichtungsflüssigkeit durch eine öffnung in dem Dichtungsring in den Zwischenraum zwischen dem Dichtungsring und der Welle eingeleitet. Diese erste Dichtungsflüssigkeit wird auf einem vorgegebenen Druck gehalten und vor ihrer Verwendung in der Anordnung einer Spezialbehandlung unterzogen.

Eine zweite Dichtungsflüssigkeit wird durch eine gesonderte öffnung in dem Dichtungsring in den Zwischenraum zwischen dem Dichtungsring und der Welle eingeleitet. Die zweite Dichtungsflüssigkeit wird auf einem Druck gehalten, der den Druck der' ersten Dichtungsflüssigkeit nicht übersteigt. Die erste Dichtungsflüssigkeit ist so angeordnet, daß sie sich zwischen der Kühlmittel-Entladungskammer und der zweiten Dichtungsflüssigkeit befindet. Eine

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kleine Menge der ersten Dichtungsflüssigkeit kann durch den Zwischenraum um die Welle und in die Kühlmittel-Entladungskammer entweichen/ wobei jedoch ein Vermischen der Kühlmittel-Flüssigkeit mit der ersten Dichtungsflüssigkeit nicht nachteilig ist/ da die erste Dichtungsflüssigkeit in ähnlicher Weise wie die Kühlmittel-Flüssigkeit behandelt ist.

Da jedoch die erste Dichtungsflüssigkeit sich auf einem etwas höheren Druck als die zweite Dichtungsflüssigkeit befindet/ tritt ein kleiner Teil der ersten Dichtungsflüssigkeit aus_f um sich mit der zweiten Dichtungsflüssigkeit zu vermischen. Die erste Dichtungsflüssigkeit vermischt sich ebenfalls mit der Kühlmittel-Flüssigkeit in der Entladungskammer. Da die erste Dichtungsflüssigkeit zwischen der Kühlmittel-Entladungskamraer und der zweiten Dichtungsflüssigkeit angeordnet ist, wird eine Verumd-nigung der Kühlmittel-Flüssigkeit durch die zweite Dichtungsflüssigkeit verhindert. Die zweite Dichtungsflüssigkeit entweicht zusammen mit einem kleinen Teil der ersten Dichtungsflüssigkeit in eine der Dichtungsringkammer benachbarte Kammer, die auf atmosphärischem Druck gehalten wird. Die zweite Dichtungsflüssigkeit wird von der Kammer abgezogen. Diese Kammer ist abgedichtet, um das Entweichen von Flüssigkeit längs der Welle zu verhindern, und eine benachbarte Kammer, die Luft auf einem überatmosphärischen Druck enthält, ist vorgesehen, um zweite Dichtungsflüssigkeit am Entweichen von der atmosphärischen Kammer zu hindern.

Auf diese Weise wird eine sehr wirksame Dichtung geschaffen, die große Mengen Flüssigkeits-Kühlmittel bei hohen Drücken und Ge-

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schwindigkeit handhaben kann. Die Dichtung erhöht den Wirkungsgrad der Anordnung und verhindert Kavitation des Rotors.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 teilweise im Längsschnitt eine Teil-Seitenansicht eines Turbinengenerators mit flüssigkeitsgekühltem Rotor_f der rait Entladungs-Dichtungseinrichtungen nach der Erfindung ausgestattet ist; und

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Teil-Längsschnitt durch die Dichtungseinrichtung für die Flüssigkeitsabgabe des Rotors.

Im einzelnen läßt Fig. 1 einen Generator mit einem Statorkern 10 erkennen, der durch Ringrahm^el2 in einem im wesentlichen gasdichten äußeren Gehäuse l4 abgestützt ist. Der Statorkern 10 besteht in üblicher Weise aus geschichteten Blechen, durch die sich eine zylindrische Bohrung erstreckt, wobei die geschichteten Bleche zwischen Endplatten 15 zusammengespannt sind. Der Sta.torkern 10 hat in seinem ümfangsbereich in üblicher Weise Längsnuten für die Aufnahme einer flüssigkeitsgekühlten Statorwicklung 16 in Verbindung mit einer kreisförmigen Einlaß- bzw. Auslaß-Sammelleitung an gegenüberliegenden Enden der Anordnung, die über geeignete Verbindungsstücke 18 so angeschlossen sind, daß ein Kühlmittel wie Wasser durch die Spulen der Statorwicklung 16 umgewälzt werden

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kann. Die Sammelleitungen 17 können wie schematisch angedeutet in Anschlüsse 19 übergehen/ über die sie dann mit einem externen Umwälzsystem beliebiger Bauart in Verbindung stehen. Das Gehäuse 14 ist mit einem Kühlgas, vorzugsweise Wasserstoff, gefüllt, das durch das Innere des Gehäuses umgewälzt wird, um den Statorkern zu kühlen, wobei geeignete Leitbleche gewünschter Ausgestaltung in dem Gehäuse angeordnet sein können, um den Gasstrom in der erforderlichen Weise zu lenken.

Die Maschine weist ferner einen flüssigkeitsgekühlten Rotor 20 auf, der in der Bohrung des Statorkerns 10 angeordnet und mittels Lagern 21 am Ende des Gehäuses 14 gehalten ist. Die Lager 21 weisen vorzugsweise Stopfbuchsendichtungen auf, um die Leckage von Gas längs der Rotorwelle zu verhindern, und können jeden geeigneten Aufbau haben. Der Rotor 20hat einen Mittelbereich 25, der mit den üblichen Nuten im ümfangsbereich versehen ist, um eine Rotorwicklung 26 aufzunehmen. Die die Feldwicklung des Generators bildende Rotorwicklung 26 kann in jeder geeigneter Weise in den Nuten' des Rotors untergebracht sein, um so die gewünschte Anzahl Magnetpole, bei Maschinen dieser Art üblicherweise zwei oder vier, zu bilden. Die Wicklung 26 ist aus Kupferleitern hergestellt, die sich in Längsrichtung durch die Nuten des Mittelbereichs 25 des Rotors 20 und allgemein in Umfangsrichtung in den Kopfbereichen erstrecken, die jenseits der Enden des Mittel#bereichs 25 liegen und gegenüber Drehkräften durch Halteringe 29 abgestützt sind. Die Leiter der Rotorwicklung sind hohl oder haben sie durchsetzende Zentralkanäle für die Strömung der Kühlmittel-Flüssigkeit vom einen Ende der Wicklung zum anderen. Es kann jedoch jede gewünsch-

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te Strömungsverteilung bzw. elektrische Schaltung Verwendung finden.

Der Rotor 20 hat einen Wellenabschnitt 30, der sich in axialer Richtung von den beiden Enden des Mittelbereichs 25 aus erstreckt und vorzugsweise damit integral ist. Eine mittlere Axialbohrung erstreckt sich über die gesamte Länge des Rotors von dessen einem Ende zum anderen Ende. Eine Erregermaschine 32 dient zur Versorgung der Wicklung 26 mit der Felderregung. Die Erregermaschine 32 kann jeden gewünschten Aufbau haben und weist eine mit dem Wellenabschnitt 30 des Rotors 20 verbundene Welle auf, um gemeinsam damit angetrieben zu werden. Die Kühlmittel-Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, wird durch die Welle der Erregermaschine 32 in den Wellenabschnitt 30 am linken Ende des Rotors eingeleitet, wie das mit Fig. 1 veranschaulicht ist. Dazu weist die Welle der Erregermaschine eine mittlere Rohrleitung 33, vorzugsweise aus Edelstahl oder einem anderen korrosionsfesten Material auf, die mit der Rotorwelle koaxial ist und sich aus der Welle der Erregermaschine heraus erstreckt, wie das in der Zeichnung gezeigt ist, um Wasser einzuleiten.

Das Wasser fließt von der Rohrleitung 32 längs der Achse der Erregermaschinen-Welle und gelangt in einen axialen Ringkanal 34 in der Axialbohrung 31 des Rotors 20. Der Ringkanal 34 ist vorzugsweise durch zwei konzentrische Edelstahlrohre begrenzt, die axiale elektrische Leitungen 35 umgeben, die die Erregermaschine 32 mit der Rotorwicklung 26 verbinden.^ Das Wasser strömt durch die Ringkanäle 34 zu gegenüberliegenden Radialkanälen 36, die sich zu

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einer ringförmigen Verteilerkammer 37 an der Außenfläche des Rotor-Wellenabschnitts 30 erstrecken. Das Wasser wird von der ringförmigen Verteilerkammer 37 mittels hydraulischer Verbindungen 38 beliebiger Ausführung weitergeleitet/ die an die einzelnen Leiter der Rotor-Wicklung angeschlossen sind, wobei die Anschlüsse mit den Kopfbereichen 28 hergestellt sind. Das nfasser strömt durch hohle Leiter der Rotor-Wicklung zum anderen Ende und wird durch ähnliche hydraulische Verbindungen 39 zu einer ringförmigen Sammelkammer 40 auf der Welle 30 am rechten Ende des Rotors entladen. Die Flüssigkeit strömt von der Sammelkammer 40 durch zwei gegenüberliegende Radialkanäle 41 zur Axialbohrung 31 des Wellenabschnitts 30 und axial durch die Axialbohrung 31 zu gegenüberliegenden Radialkanälen 42, die sich zur Außenseite des Rotor-Wellenabschnitts 30 erstrecken.

Alle der Flüssigkeit ausgesetzten Kanäle und Flächen sind vorzugsweise durch Edelstahl oder sonstiges korrosionsfestes Material abgekleidet oder abgedeckt, um Korrosion des Rotorstahls durch das Kühlwasser zu verhindern. Insbesondere ist die Axialbohrung 31 am rechten Ende des Rotors 20 mit einer rohrförmigen Edelstahl-Auskleidung 43 versehen, die sich zwischen den beiden Gruppen von Radialkanälen 41 und 42 erstreckt, wobei die Enden der Auskleidung 43 durch geeignete Trennwandungen 44 abgeschlossen sind, um diesen Abschnitt der Axialbohrung 31 zu schließen und die Kühlmittel-Flüssigkeit darauf zu begrenzen.

Das Kühlmittelwasser wird so in den Rotor 20 durch die Rohrleitung 33 eingeleitet, die sich auf der Achse der Welle der Erregerma-

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schine 32 befindet/ und wird von. dem Rotor durch einen Radialkanal 42 entladen. Wie zuvor erläutert, ist es notwendig, sowohl an der Eintritts- als auch an der Austrittsstelle sehr wirksame Dichtungen vorzuf-sehen, um das Entweichen des Kühlmittel-Wassers zu verhindern, das durch den Rotor in verhältnismäßig großen Mengen und mit hoher Geschwindigkeit bei hohem Druck strömt.

An der Eintrittsstelle, die sich in Fig. 1 am linken Ende befindet, wird Wasser durch eine stationäre Rohrleitung 45 zugeführt. Die Abdichtung der Eintrittsstelle erfolgt wirksamerweise durch eine einzige radiale Flud-Stopfbuchsen-Dichtung.

An dem Entladungsende des Rotors wird, wie das mit Fig. 2 gezeigt ist, das durch den Rotor geleitete Kühlmittel-Wasser durch die gegenüberliegenden Radialkanäle 42 in ein stationäres Entladungs-Gehäuse 46 entladen, das den Wellenabschnitt 30 mit geringem Abstand umgibt und die Radialkanäle 42 einschließt. Jeder Radialkanal 42 hat einen Verschlußeinsatz 48 an seinem äußeren Ende, den eine Begrenzungsöffnung 50 durchsetzt, um die Strömung des vom Rotor 20 abgegebenen Wassers unter Kontrolle zu halten. Das so abgegebene Kühlmittel-Wasser strömt in eine stationäre Kühlmittelkammer 52, die den Wellenabschnitt 30 umgibt. Das in dieser Kühlmittelkammer 52 befindliche Kühlmittel-Wasser wird davon über eine geeignete Abflußleitung 54 (Fig. 1) abgezogen. Die auf diese Weise abgeführte oder abgegebene Kühlmittel-Flüssigkeit wird vorzugsweise in der vorbeschriebenen Weise gekühlt und behandelt und dann durch die Einlaß-Speise-Rohrleitung 45 zurückgeleitet, von wo aus sie erneut durch die Anordnung umgewälzt werden kann.

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Wie zuvor erwähnt/ wurde nach dem Stand der Technik die Kühlmittelkammer 52 zur Vermeidung von Kavitationswirkungen vollständig mit Wasser gefüllt gehalten. Jedoch hat eine unter Druck stehende mit Flüssigkeit gefüllte Entladungskammer den nachteiligen Effekt, daß der Wirkungsgrad des Rotors 20 verringert wird. Anstatt die zur Entladung dienende Kühlmittelkammer 52 vollständig mit der primären Kühlmittel-Flüssigkeit zu füllen, wird an der Innenseite der Kühlmittel-Kammer 52 eine Menge gasförmigen Fluds angeordnet. Unmittelbar den beiden Seiten der Kühlmittelkammer 52 benachbart befindet sich eine doppelte Fludströmungs-Stopfbuchsen-Dichtung 58, die eine Fludfilm-Dichtung aufbaut, um das Entweichen des Kühlmittel-Wassers aus der Kühlmittel-Kammer zu verhindern. Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist die doppelte Fludfilm-Stopfbuchsen-Dichtung 58 auf beiden Seiten der Kühlmittel-Kammer 52 angeordnet. Nur eine Seite der Stopfbuchsen-Dichtung 58 wird beschrieben, da die gegenüberliegende Seite der Stopfbuchsen-Dichtung 58 identisch ausgeführt ist.

Die Stopfbüchsendichtung 58 ist radial ausgebildet und hat eine Doppelfludströmung, wie das weiter unten eingehender erläutert wird. Ferner weist sie einen Dichtungsring 60 in beiden Ringkammern 62 auf, die den Wellenabschnitt 30 mit einem kleinen radialen Abstand oder Zwischenraum 64 umgeben. Der Abstand kann in der Größenordnung einiger Hundert u liegen. Der Dichtungsring 60 paßt knapp in die Ringkammer 62, mit dem kleinsten Zwischenraum 66, der möglich ist, um eine Leckage an dem Dichtungsring 60 vorbei in radialer Richtung auf einem Minimum zu halten. Der Dichtungsring 60 ist in der Ringkammer 62 stationär und kann in jeder gewünschten

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Weise drehfest gehalten werden, über dem Dichtungsring 60 ist im Inneren des Gehäuses 46 eine Ringkammer 65 angeordnet.

Der Dichtungsring 60 ragt mit einer Schulter 68 um einige Zehn oder Hundert u näher an die Fläche des Wellenabschnitts 30 als das Gehäuse 46 heran, um eine mögliche Schädigung infolge inhärenter und nicht kontrollierbarer Vibrationen des Wellenabschnitts 30 auf einem Minimum zu halten. Die Dichtungsringe 60 sind in dem Gehäuse 46 freischwebend angeordnet, so daß sie entsprechend Vibrationen des Wellenabschnitts 30 radiale Verschiebungen mitmachen können.

Eine weitere Ringkammer 70 umgibt den Wellenabschnitt 30 neben der Ringkammer 62, und diese letztgenannte Ringkammer 70 wird geeigneterweise auf atmosphärischem Druck gehalten.

Es ist ersichtlich, daß - da die in die Kühlmittelkammer 52 entladene Flüssigkeit sich auf einem verhältnismäßig hohen Druck befindet - der Druckabfall zwischen der Kühlmittelkammer 52 und der ersten auf atmosphärischem Druck befindlichen Kammer hoch ist. Somit ist die Leckage des Kühlmittel-Wassers von der Kühlmittel-Kammer 52 durch den Zwischenraum 64 zwischen dem Dichtungsring 60 und dem Wellenabschnitt 30 in die erste auf atmosphärischem Druck befindliche Ringkammer 70 ziemlich groß. Dies ist nicht wünschenswert, da das Kühlmittel-Wasser behandelt ist, um einen hohen Reinheitsgrad zu halten und gelösten Sauerstoff zu entfernen, und nach der Abgabe vom Rotor 20 erneut umgewälzt wird. Verlust einer erheblichen Menge dieser Flüssigkeit ist daher nachteilig, da dann eine erhöhte Kapazität an Behandlungs- bzw. Aufbereitungs- und

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Pumpausrüstung erforderlich wäre_f um die notwendigen großen Mengen an behandeltem oder aufbereitetem Ersatzwasser zu liefern.

Um die Leckage von Kühlmittel-Wasser durch den Dichtungsring-Zwischenraum 64 zu minimieren, hat der Dichtungsring 60 eine Mehrzahl erster Radialöffnungen 72, die sich durch diesen erstrecken. Durch eine Leitung 74 wird der Ringkammer 65 eine Menge erster Dichtungsflüssigkeit zugeführt. Die erste Dichtungsflüssigkeit ist eine in der gleichen Weise wie die primäre Kühlmittel-Flüssigkeit aufbereitete oder behandelte Flüssigkeit. Die erste Dichtungsflüssigkeit wird in die Ringkammer 65 in der Dichtungs-Ringkammer 62 eingeführt und strömt durch die ersten Radialöffnungen 72 in den Stopfbüchsen-Dichtungsring 60 zu dem zwischen dem Stopfbüchsen-Dichtungsring 60 und dem Wellenabschnitt 30 befindlichen Zwischenraum 64. Die erste Dichtungsflüssigkeit wM auf einem vorgegebenen Druck gehalten, so daß^zu einer Strömung der ersten Dichtungsflüssigkeit kommt und diese in den mit den Pfeilen 78 im Zwischenraum 64 angegebenen Richtungen wandert. Die erste Dichtungsflüssigkeit und ein Teil der in der gasgefüllten Primär-Kühlmittelkammer 52 enthaltenen Kühlmitte!flüssigkeit vermischen sich miteinander, jedoch ist dies für den Wirkungsgrad der Maschine nicht wesentlich, weil die erste Dichtungsflüssigkeit und die behandelte oder aufbereitete Primär-Kühlmittelflüssigkeit die gleiche Beschaffenheit haben.

Eine zweite Leitung 80 leitet eine zweite Dichtungsflüssigkeit in den Dichtungsring 60 über einen zweiten Radialkanal 32 in dem Stopfbüchsen-Dichtungsring 60. Diese zweite Dichtungsflüssigkeit,

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typischerweise Wasser, wird auf einem Druck gehalten, der geringfügig niedriger als der Druck der ersten Dichtungsflüssigkeit ist.

Sind der Druck der durch die zweite Leitung 80 und den zweiten Radi&lkanal 82 in dem Dichtungsring 60 in den Zwischenraum 64 eingeleiteten zweiten Dichtungsflüssigkeit und der Druck der ersten Dichtungsflüssigkeit genau gleich, so kommt es zu keiner Leckage der ersten Dichtungsflüssigkeit in die zweite Dichtungsflüssigkeit, Es sind geeignete Druckregel-Einrichtungen vorgesehen (nicht gezeigt) , um eine kleine Druckdifferenz aufrechtzuerhalten, so daß der Druck der zweiten Dichtungsflüssigkeit um einen vorgegebenen

Betrag von etwa 0,02 kg/cm niedriger als der Druck der ersten

Dichtungsflüssigkeit ist oder in jedem Fall den Druck der ersten Dichtungsflüssigkeit nicht überschreitet. Somit tritt, sofern es überhaupt zu einer Leckage kommt, stets nur die erste Dichtungsflüssigkeit in die zweite Dichtungsflüssigkeit ein, und die erste Dichtungsflüssigkeit verhindert eine Verunreinigung der primären Kühlmittel-Flüssigkeit durch die zweite unbehandelte Dichtungsflüssigkeit. Da der Druck der zweiten Dichtungsflüssigkeit nur
etwas geringer als der der ersten Dichtungsflüssigkeit ist, ist
die Menge an erster Dichtungsflüssigkeit, die durch den Zwischenraum 64 unter dem Dichtungsring 60 entweichen kann, extrem begrenzt, und die Gesamtleckage der ganzen Dichtung wird wirksam
minimiert.

Wie zuvor erwähnt, wurde nach dem Stand der Technik eine unter
Druck stehende, mit Wasser gefüllte Entladungskammer vorgesehen, wobei jedoch infolge Fludreibung der durch die wassergefüllte

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Entladungskammer ausgelöste Widerstandsverlust den Wirkungsgrad
des Rotors ernsthaft begrenzte. Es ist offensichtlich, daß durch Anordnung eines gasförmigen Fluds in der primären Kühlmittel-Kammer 52 dieser Widerstandsverlust eliminiert wird. Der Wirkungsgrad der Maschine wird dadurch erhöht, so daß diese verbesserte Dichtungseinrichtung einen eindeutigen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik mit sich bringt. Hinzu kommt, daß Kavitation in der primären Kühlrnittel-Kammer 52 eliminiert wird, da diese Kühlmittel-Kammer 52 nicht vollständig mit Kühlmittel-Wasser gefüllt ist.

Die zweite Dichtungsflüssigkeit entweicht, mit einem kleinen Anteil an erster Dichtungsflüssigkeit,durch den Dichtungsring-Zwischenraum 64 in die erste Ringkammer 70, die auf atmosphärischem Druck gehalten wird, und die zweite Dichtungsflüssigkeit wird von den beiden ersten stationären Ringkammer 70 über Abflußleitungen 86 (Fig. 1) abgeführt. Eine erste stationäre Ringkammer 70 ist
neben jeder der Dichtungsring-Ringkammern 62 angeordnet.

Auf dem Wellenabschnitt 30 sitzt in der ersten stationären Ringkammer 70 vorzugsweise ein Spritzring 88, um jegliches auf dem
Wellenabschnitt 30 entlangfließende Wasser zu entfernen.

Vorzugsweise ist zwischen den äußeren Wänden der ersten stationären Ringkammer 70 und dem Wellenabschnitt 30 eine Labyrinth-Dichtung 90 angeordnet, um die ersten stationären Ringkammern 70 abzudichten. Da ein Teil des Wassers sucht, dem Wellenabschnitt 30 zu folgen und an dem Spritzring 88 vorbeizuwandern, besteht eine Neigung zu einer gewissen Leckage durch die Labyrinthdichtungen

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Um dies zu verhindern, ist auf der Außenseite der einzelnen ersten stationären Ringkammern 70 eine weitere Gruppe Ringkammern 92 mit einer zweiten Labyrinthdichtung 94 angeordnet, die sich zwischen den äußeren Wänden der zweiten stationären Ringkammern 92 und dem Wellenabschnitt 30 befindet. Die zweite stationäre Ringkammer 92 wird auf einem Druck gehalten, der etwas über dem atmosphärischen Druck liegt. Diese zweite Gruppe unter Druck stehender Ringkammern 9 2 verhindert eine Leckage von Wasser durch die ersten Labyrinthdichtungen 90.

Eine End-Ringkammer 96 umgibt den Wellenabschnitt neben der Gruppe zweiter Ringkammern 92, um die zweite Labyrinthdichtung 94 zu schützen und die zweite Ringkammer 9 2 unter Druck zu halten.

Wie ersichtlich, ist damit ehe Dichtungseinrichtung geschaffen worden, die sehr wirksam ist, um bei minimaler Leckage die große Menge von unter Hochdruck stehendem Kühlmittel-Wasser zu wahren, das durch den Rotor 20 eines großen Generators umgewälzt wird. Die Kühlmittel-Flüssigkeit wird in die Kühlmittelkammer 52 abgegeben, die den umlaufenden Wellenabschnitt 30 umgibt. In der Kühlmittelkammer 52 befindet sich ein gasförmiges Flud, das die Kühlmittel-Kammer 52 daran hindert, sich vollständig mit unter Druck stehender Kühlmittel-Flüssigkeit zu füllen. Zwei Stopfbüchsen-Dichtungsringe 60 umgeben den Wellenabschnitt 30 auf beiden Seiten der primären Kühlmittelkammer 52, wobei diese Dichtungsringe 60 wegen des hohen Druckabfalls an dem Zwischenraum 64 zwischen den Dichtungsringen 60 und dem Wellenabschnitt 30 allein nicht in der Lage wäre, eine übermäßige Leckage zu verhindern.

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Um diese Leckage zu minimieren, wird über die Leitung 74 in die Ringkamrner 65 über den Dichtungsringen 60 eine erste Dichtungsflüssigkeit eingeleitet, die durch einen ersten Radialkanal 72 in dem Dichtungsring 60 in den Zwischenraum 64 gelangt. Die erste Dichtungsflüssigkeit ist eine auf einem vorgegebenen Druck gehaltene aufbereitete Flüssigkeit, die sowohl von der Kühlmittel-Kammer 52 abfließt als auch in diese einströmt. Um die aufbereitete erste Dichtungsflüssigkeit daran zu hindern, infolge des hohen Druckabfalls in dem Zwischenraum 64 von der primären Kühlmittel-Kammer 52 zu der ersten stationären Ringkammer 70 zu strömen, ist eine zweite Leitung 80 zur Einleitung der zweiten Dichtungsflüssigkeit in dem primären Entladungskammer-Gehäuse 46 angeordnet. Die zweite Dichtungsflüssigkeit tritt durch einen zweiten Radialkanal 82 in dem Stopfbüchsen-Dichtungsring 60. Dabei ist die zweite Dichtungsflüssigkeit gegenüber der ersten Dichtungsflüssigkeit durch die Stopfbüchsendichtung selbst isoliert, nachdem sie in den Zwischenraum 64 zwischen dem Dichtungsring 60 und dem Wellenabschnitt 30 eingeführt wird. Die erste oder primäre Dichtungsflüssigkeit ist so zwischen der primären Kühlmittelkammer 52 und der zweiten Dichtungsflüssigkeit angeordnet. Die zweite Dichtungsflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, wird auf einem Druck gehalten, der niedriger als der Druck der ersten Dichtungsflüssigkeit ist. Wenn es dann zu einer Leckage kommt, so erfolgt diese von der ersten Dichtungsflüssigkeit zu der zweiten Dichtungsflüssigkeit. Die Leckage des Kühlmittels wird minimiert, und eine erste stationäre Ringkammer 70 ist so angeordnet,daß sie die zu ihr gedrängte zweite Dichtungsflüssigkeit auffängt und dann wieder abführt.

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Die Eliminierung der wassergefüllten primären Kühlmittelkammer beseitigt den mit einer gefüllten Kühlmittelkammer verbundenen Widerstandsverlust. Die Kammer braucht nicht mehr mit Kühlmittelflüssigkeit gefüllt zu sein, um eine wirksame Dichtungsanordnung zu gewährleisten, so daß der Wirkungsgrad des Aufbaus nennenswert erhöht wird.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1· Wellen-Dichtung für einen Rotor einer dynamoelektrischen Maschine zur Verhinderung von Flüssigkeitsleckagen/ dadurch gekennzeichnet/ daß die Dichtung einen stationären Grundkörper mit geringem Abstand von der Welle und einer ersten und einer zweiten axialen Seite, in dem eine Flüssigkeitsabgabekammer mit einem darin befindlichen gasförmigen Flud angeordnet ist; einen die Welle mit einem kleinen Abstand neben der ersten axialen Seite desGrundkörpers umgebenden ersten stationären Dichtungsring, wobei der kleine Abstand mit der Flüssigkeitsabgabekammer in Verbindung steht; eine erste Leitung zur einführung einer ersten Dichtungsflüssigkeit in den Abstand zwischen dem ersten Dichtungsring und der Welle, wobei die erste Dichtungsflüssigkeit auf einem vorgegebenen Druck gehalten wird; eine zweite Leitung zur Einführung einer zweiten Dichtungsflüssigkeit in den Abstand zwischen dem ersten Dichtring und der Welle, wobei die zweite Dichtungsflüssigkeit auf einem den Druck der ersten Dichtungsflüssigkeit nicht übersteigenden Druck gehalten wird und die erste Dichtungsflüssigkeit in dem Abstand zwischen dem ersten Dichtungsring und der Welle zwischen der Flüssigkeitsabgabekammer und der zweiten Dichtungsflüssigkeit angeordnet ist; eine erste die Welle neben dem ersten Dichtungsring umgebende stationäre Kammer, die mit dem Abstand zwischen dem ersten Dichtring und der Welle in Verbindung steht; wobei die erste stationäre Kammer die aus dem Abstand zwischen dem ersten Dichtungsring und der Welle

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austretende erste und zweite Dichtungsflüssigkeit aufnimmt und auf einem ersten vorgegebenen Druck gehalten wird; eine erste Labyrinthdichtung zur Abdichtung der ersten stationären Kammer; sowie eine Einrichtung zur Flüssigkeitsabfuhr von der ersten stationären Kammer aufweist.
2. Wellen-Dichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine die Welle neben der ersten stationären Kammer umgebende zweite stationäre Kammer, die auf einem Druck größer als der in der ersten stationären Kammer aufrechterhaltene Druck gehalten ist.
3. Wellen-Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Dichtring sich in einer ersten Ringkammer neben der Flüssigkeitsabgabekammer befindet, die radial äußerste Fläche des ersten Dichtrings einen Ringraum in der ersten Ringkammer begrenzt, der erste Dichtring eine erste sich durch ihn erstreckende öffnung aufweist, die erste Dichtungsflüssigkeit über die erste Leitungsvorrichtung in den Ringraum eingeleitet wird, die erste Dichtungsflüssigkeit durch die erste öffnung in dem ersten Dichtring in den Zwischenraum zwischen dem ersten Dichtring und

wird
der Welle geleite^ der erste Dichtring eine zweite ihn durchsetzende öffnung hat, die zweite Dichtungsflüssigkeit unmittelbar in die zweite öffnung in dem erste,n Dichtungsring über eine zweite Leitungsvorrichtung eingeleitet wird, und daß die zweite Dichtungsflüssigkeit durch die zweite öffnung in dem ersten Dichtungsring in den Zwischenraumzwischen dem ersten Dichtring und der Welle geleitet wird.

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4. Wellen-Dichtung nach Anspruch 3/ gekennzeichnet durch einen zweiten stationären Dichtring, der die Welle mit einem kleinen Zwischenraum in Nachbarschaft der zweiten axialen Seite des Grundkörpers umgibt, wobei der Zwischenraum mit der Flüssigkeitsabgabekammer in Verbindung steht, eine dritte Leitungsvorrichtung zur Einleitung der ersten Dichtungsflüssigkeit in den Zwischenraum zwischen dem zweiten Dichtring und der Welle, eine vierte Leitungsvorrichtung zur Einleitung der zweiten Dichtungsflüssigkeit in den Zwischenraum zwischen dem zweiten Dichtring und der Welle, wobei die erste Dichtungsflüssigkeit in dem Zwischenraum zwischen dem zweiten Dichtring und der Welle zwischen der Flüssigkeitsabgabekammer und der zweiten Dichtungsflüssigkeit angeordnet ist, eine dritte stationäre Kammer, die die Welle neben dem zweiten Dichtring umgibt und mit dem Zwischenraum zwischen dem zweiten Dichtring und der Welle in Verbindung steht, ferner die aus dem Zwischenraum zwischen dem zweiten Dichtring und der Welle herausgedrängte erste und zweite Dichtungsflüssigkeit aufnimmt und dabei auf einem vorgegebenen Druck gehalten wird, eine Labyrinthdichtung zur Abdichtung der dritten stationären Kammer sowie durch eine Einrichtung zur Fludabfuhr von der dritten stationären Kammer.
5. Wellen-Dichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine vierte die Welle neben der dritten stationären Kammer umgebende stationäre Kammer, die auf einem Druck gehalten ist, der größer als der in der dritten stationären Kammer auf-

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rechterhaltene Druck ist.
6. Wellen-Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dichtring in einer zweiten Ringkammer neben der Flussigkextsabgabekarnmer enthalten ist, daß die radial äußerste Fläche des zweiten Dichtrings einen Ringraum in der zweiten Ringkammer begrenzt, daß der zweite Dichtring . eine ihn durchsetzende erste Öffnung hat, die erste Dichtungsflüssigkeit in den Ringraum über die dritte Leitungsvorrichtung eintritt, die erste Dichtungsflüssigkeit über die erste Öffnung in dem zweiten Dichtring in den Zwischenraum zwischen dem zweiten Dichtring und der Welle eintritt, der zweite Dichtring eine zweite ihn durchsetzende Öffnung hat, die zweite Dichtungsflüssigkeit unmittelbar in die zweite öffnung in dem zweiten Dichtring über die vierte Leitungsvorrichtung eingeleitet wird und die zweite Dichtungsflüssigkeit durch die zweite öffnung in dem zweiten Dichtring in den Zwischenraum zwischen dem zweiten Dichtring und der Welle eintritt.

KN/hs/ot 5

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