-
Hydraulische Turbomaschine radialer Bauart
-
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.
-
Solche hydraulischen Turbomaschinen sind aus CH 621 602 oder GB 1
603 995 bekannt und können beispielsweise als Francisturbinen, als Speicherprmpen
oder als Pumpturbinen betrieben sein.
-
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. Ausserdem leistet der Sperrwasserstrom keine
nutzbringende Arbeit.
-
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 = 3 500 bar m/s brauchbar sein.
Lediglich berührungsfreie hydrostatische Dichtungen sind prinzipiell in der Lage,
solch hohen Beanspruchungen standzuhalten.
-
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 Einstellunq des Dichtungskörpers
nach der Lauffläche erschwert oder in Frage gestellt ist. 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 öchstdruck 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 bleiben. Zudem wurden die Dichtungen bisher
auf einen Teil des Gehäuses, beispielsweise den Deckel abgestützt, der je nach Bauart
der Maschine keine genügend steife Basis b gibt, um die Dichtung unter allen vorkommenden
Bedingungen wirklich korrekt abzustützen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die angeführten Nachteile
des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere eine hydraulische Turbomaschine
der oben anqeführten
Gattung zu schaffen, die eine Dichtung zwischen
Laufrad und Gehäuse aufweist, die bei allen denkbaren 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 Temperaturänderungen
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.
-
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 Deck scheibe unbenetzt bleiben.
-
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.
-
Die Ausbildung der Dichtungen als radial wirkende Dichtungen hat den
Vorteil, dass sich die axialen Rotorverschiebungen leicht beherrschen lassen. Ferner
werden die Umfangsflähen 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 Oberflächen anteil
der Scheibenreibung unterworfen ist.
-
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.
-
Bei einer zweckmässigen Weiterbildung der Erfindung ist zur Vermeidung
einer Deformation des Gehäusedeckels die Dichtung nicht direkt auf den Deckel abgestützt,
sondern auf einen zwischengelagertern Grundkörper, wobei dieser Grundkörper seinerseits
biegeweich auf den eigentlichen Gehäusedeckel abgestützt ist. Dabei ist der Grundkörper
vorteilhafterweise 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.
-
Die Erfindung sowie zweckmässige Weiterbildungen derselben werden
anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.
-
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Francis-Turbine.
-
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Schnittes mit einer Dichtung zwischen
dem Aussenkranz der Deckscheibe und dem Gehäuse.
-
Fig. 3 zeigt einen analogen Ausschnitt mit einer anderen Ausführungsform
der Dichtung.
-
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt mit einer dirtten Ausführungsform der
Dichtung.
-
Fig. 5 zeigt ein den Dichtungen zugeordnetes Sperrwassersystem.
-
Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform des Sperrwassersystems.
-
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.
-
Das Laufrad ist in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
durch drei in Radialrichtung wirkende Dichtungen 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.
-
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.
-
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1, welcher die Dichtung 2 am
Aussenkranz der Deckscheibe 102 im Detail zeigt. Dieser Aussenkranz 4 trägt eine
Laufflächenaufpanzerung 5 aus geeignetem Material. Zwischen der Lauf fläche 6 der
Deckscheibe 4 und dem mit der Lauffläche zusammenwirkenden Dichtungskörper 7 stellen
sich von Sperrwasser durchflossene 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 wirkenden Druckkräfte des Aussenraumes 13 sich das
Gleichgewicht halten. Damit alle in Umfangsrichtung durch Zwischenstege getrennten
Taschen 11 vom Druckraum 10 aus gleichmässig angespeist werden, sind Drosselbohrungen
14 im Dichtungskörper 7 vorgesehen. Im Inneren des Dichtungskörpers 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. aus einem geeigneten Kunststoffmaterial.
-
Gegebenenfalls kann auch der ganze Stegkörper 23 aus einem solchen
Material bestehen.
-
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.
-
Das Sperrwasser wird von aussen durch Bohrungen 25 im Deckelteil 26
des Gehäuses in den Raum 22 eingespeist.
-
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
mit führenden 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.
-
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.
-
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
Ueberdruck aufbauen kann.
-
Auch bei dieser Ausführungsform sind Wasserablaufbohrungen 33 durch
den Grundkörper 18 und den Gehäusedeckel 26 vorgesehen, die das im Spalt 9 entströmende
Sperrwasser nach aussen ableiten.
-
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. Dieser ist daher etwas einfacher oeformt. 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.
-
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. Ueber 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.
-
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.
-
- Leerseite -