DE4403786A1 - Anordnung zur Druckhaltung in den Leitschaufellagern von Pumpturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Druckhaltung in den mit einem bestimmten Überdruck betriebenen, von einer Zentralschmieranlage fettgeschmierten Gleitlagern der Leitschaufeln von Pumpturbinen, wobei die Leitschaufeln oberhalb und unterhalb des Strömungskanals gelagert sind.

Der Verschleiß in den Leitschaufellagern bleibt auch bei den für Pumpturbinen typischen, hohen, dynamischen Belastungen relativ gering, solange in den Lagerspalten immer eine ausreichende Fettfüllung gehalten werden kann. Ist das nicht mehr der Fall, zum Beispiel aufgrund einer defekten inneren Dichtung, kommt es zum progressiven Verschleißfortschritt und letztlich zum Ausfall des Lagers. Neben der Schmierwirkung spielt dafür die Dämpfungswirkung des Fettes im Lagerspalt eine entscheidende Rolle. Es ist bekannt, daß sich ausgezeichnete Dämpfungswerte für die Schwingbewegung des Zapfens im Lagerspalt erreichen lassen, wenn der Lagerspalt vollständig mit Fett gefüllt und das Fett unter einen bestimmten Überdruck gehalten werden kann.

Der Überdruck darf andererseits bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten, um die Dichtungen nicht zu gefährden. Handelsübliche Überdruckventile, wie sie für flüssige und gasförmige Medien gebräuchlich sind, arbeiten beim Medium Fett unzuverlässig durch große Streuungen des Ansprechwertes sowie mit großer Hysterese.

Bei den Leitschaufellagern von Pumpturbinen tritt ein weiteres Problem auf. In den Betriebsarten Pumpe oder Turbine nehmen die Leitschaufeln sowie ihre Lager annähernd die Temperatur des Triebwassers an. In der Betriebsart Phasenschieberbetrieb kommt es durch die Ventilationsverluste des in Luft mitlaufenden Laufrades zu einer allmählichen Erwärmung der Pumpturbine, die an den Leitschaufeln bis zu ΔT = 30 K gegenüber der Triebwassertemperatur betragen kann.

Da das Schmierfett gegenüber den Materialien von Lagerzapfen und Lagerbuchsen einen um ca. 3 Zehnerpotenzen höheren Ausdehnungskoeffizienten aufweist, kommt es bei eingeschlossenem Fettvolumen und der o. a. Temperaturerhöhung zu einem starken Anstieg des Fettdruckes. Ein installiertes Überdruckventil öffnet in diesem Fall (mit den o. a. Unzulänglichkeiten) und läßt Fett entweichen, bis der Schließdruck des Ventils erreicht wird bzw. es tritt Fett über die Abdichtungen des Lagerspaltes aus. Dieser Vorgangs kann sich bei längerem Phasenschieberbetrieb mehrfach wiederholen. Kommt es jetzt zum Übergang vom Phasenschieber­ in den Turbinenbetrieb, so sinkt die Lagertemperatur innerhalb weniger Minuten auf die Temperatur des Betriebswassers ab. Durch den Temperaturabfall verringert das verbliebene Fett sein Volumen und der Lagerspalt ist nicht mehr vollständig mit Fett ausgefüllt. Verschärft wird dieser Vorgang noch dadurch, daß es beim Übergang vom Phasenschieberbetrieb mit niedrigem Druck in der Pumpturbine zum Turbinenbetrieb mit hohem Druck in der Pumpturbine durch die elastische Aufweitung der Gehäuseteile zu einer axialen Verlagerung des unteren Leitschaufellagerzapfens und damit zur Vergrößerung des Schmierspaltvolumens kommt. Beim umgekehrten Vorgang verringert sich das Schmierspaltvolumen. Der Fettverlust nach Ansprechen des Überdruckventils bzw. durch das Austreten über die Abdichtungen des Lagerspaltes muß durch entsprechendes Nachpumpen von Fett ergänzt werden. Daraus resultiert bei den gegebenen mehrfachen Umstellungen am Tag ein hoher Fettverbrauch. Außerdem muß das austretende nicht mehr verwendbare Fett mit entsprechendem Aufwand entsorgt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Druckhaltung in den mit einem bestimmten Überdruck betriebenen, von einer Zentralschmieranlage fettgeschmierten Gleitlagern von Pumpturbinenleitschaufeln, die ober- und unterhalb des Strömungskanals gelagert sind, zu schaffen, bei der bei betriebsbedingten nicht gesteuerten Druckänderungen im Schmierspalt kein Fettverlust eintritt bzw. kein Nachspeisen erforderlich ist und gleichzeitig der Druck im Schmierspalt in vorgegebenen Grenzen gehalten wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an jeder Leitschaufel im oberen und unteren Lager zum Strömungskanal hin in beide Richtungen wirkende Dichtungen angeordnet sind, in die Bohrung der Leitschaufel im unteren Lager ein Paßstück und ein die Bohrung abdichtender Anschlußstutzen mit einer axialen Bohrung eingesetzt sind, in den Lagerzapfen des unteren Lagers am oberen Rand ein radialer Kanal vom Paßstück zum Lagerspalt und am unteren Rand ein radialer Kanal vom Lagerspalt zur Bohrung im Anschlußstutzen eingebracht sind, in die Bohrung der Leitschaufel mittig ein bis zum Paßstück durchgehendes Rohr eingezogen ist, das an der Stirnfläche des oberen Lagers von einem Anschlußstück gehalten ist, das Anschlußstück mit einer axialen mittigen Bohrung und einer axialen außermittigen Bohrung versehen ist, im Lagerzapfen des oberen Lagers am unteren Rand ein radialer Kanal von der Bohrung der Leitschaufel bis zum Lagerspalt vorgesehen ist und an den axialen Bohrungen die Zentralschmieranlage und an die vorhandene axiale Bohrung im Turbinendeckel sowie den Anschlußstutzen je eine Fettpuffereinrichtung angeschlossen sind.

Die Fettpuffereinrichtung ist aus einem in eine Kolbenseite und eine Federseite geteilten Zylinder gebildet, der auf der Kolbenseite einen Kolben und auf der Federseite eine Druckfeder aufnimmt, die Wandung des Zylinders ist auf der Kolbenseite stärker ausgebildet als auf der Federseite, der Kolben in seinem Durchmesser geringer gehalten als die Druckfeder und zwischen dem Kolben und der Druckfeder ist eine Federplatte eingesetzt, in die Wandung der Kolbenseite ist ein Ableitungsrohr eingebunden, das mit einem am Zylinder befestigten Auffangbehälter verbunden ist, der Zylinder ist auf der Kolbenseite von einem Deckel und auf der Federseite von einer aufschraubbaren Endkappe verschlossen und in dem Deckel sind Anschlüsse für eine Zuleitung von der axialen Bohrung bzw. von dem Anschlußstutzen sowie für ein Kontrollmanometer vorgesehen.

In weiterer Ausbildung ist der Kolben zur Federseite hin mit einem Zapfen versehen, der die Federplatte aufnimmt. Die Druckfeder ist am Ende der Federseite von einer zweiten Federplatte gehalten, die in der Endkappe geführt ist. Weiterhin ist in dem Kolben eine Gewindespindel gefestigt, die mittig durch die Federseite und die Endkappe nach außen geführt ist und mit einem am Zylinder angeordneten Endschalter in Wirkverbindung steht.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Leitschaufel einer Pumpturbine mit ihrer Lagerung und Fettversorgung im Schnitt,

Fig. 2 Details des oberen und unteren Lagers einer Leitschaufel im Schnitt,

Fig. 3 eine Vorderansicht der Fettpuffereinrichtung im Halbschnitt,

Fig. 4 die Seitenansicht der Fettpuffereinrichtung.

Die Anordnung zur Druckhaltung kommt an den fettgeschmierten Gleitlagern der Leitschaufeln 1 einer Pumpturbine zum Einsatz, wobei die Leitschaufeln 1 radial oberhalb und unterhalb des Strömungskanals 4 in einem oberen Lager 2 und einem unteren Lager 3 gelagert sind. Die Fettversorgung der mit einem bestimmten Überdruck betriebenen Gleitlager erfolgt über eine Zentralschmieranlage 16. An jeder Leitschaufel 1 sind im oberen Lager 2 und unteren Lager 3 zum Strömungskanal 4 hin in beide Richtungen wirkende Dichtungen 36 angeordnet. Diese Dichtungen 36 wirken auch bei höheren Drücken sowohl in Richtung Strömungskanal 4 fettdichtend als auch in Richtung Lager wasserdichtend. Gegen einen Fettaustritt in die Atmosphäre sind in beiden Lagern 2 und 3 ebenfalls für höhere Drücke geeignete, einseitig wirkende Dichtungen 37 eingesetzt. In die Bohrung 5 der Leitschaufel 1 im unteren Lager 3 ist ein Paßstück 6 und ein die Bohrung 5 abdichtender Anschlußstutzen 7 mit einer axialen Bohrung 8 eingesetzt. In den Lagerzapfen des unteren Lagers 3 ist am oberen Rand ein radialer Kanal 9 vom Paßstück 6 zum Lagerspalt und am unteren Rand ein radialer Kanal 10 vom Lagerspalt zur axialen Bohrung 8 im Anschlußstutzen 7 eingebracht. Im Lagerzapfen des oberen Lagers 2 ist am unteren Rand ein radialer Kanal 15 von der Bohrung 5 der Leitschaufel 1 bis zum Lagerspalt vorgesehen. In die Bohrung 5 der Leitschaufel 1 ist von oben mittig ein bis zum Paßstück 6 durchgehendes Rohr 11 eingezogen, das an der Stirnfläche des oberen Lagers 2 von einem Anschlußstück 12 gehalten ist. Der Durchmesser des Rohres 11 ist kleiner als die Bohrung 5 in der Leitschaufel 1. Damit werden in der Leitschaufelachse zwei voneinander getrennte Räume geschaffen. Das Anschlußstück 12 ist mit einer axialen mittigen Bohrung 13 und einer axialen außermittigen Bohrung 14 versehen. An den axialen Bohrungen 13 und 14 ist über Druckschlauchleitungen 38 und Rückschlagventile 39 die Zentralschmieranlage 16 angeschlossen. An die im Turbinendeckel vorhandene axiale Bohrung 17 sowie den Anschlußstutzen 7 ist je eine Fettpuffer­ einrichtung 18 angeschlossen. Die Fettpuffereinrichtung 18 besteht im wesentlichen aus einem in eine Kolbenseite 19 und eine Federseite 20 geteilten Zylinder 21. Die Kolbenseite 19 nimmt in einer geschliffenen und polierten Bohrung einen Kolben 22 auf. In der Federseite 20 ist eine Druckfeder 23 angeordnet. Die Zylinderwandung der Kolbenseite 19 ist stärker ausgebildet als die Zylinderwandung der Federseite 20. Die Kolbenseite 19 ist von einem Deckel 27 verschlossen, wobei zwischen dem Deckel 27 und der Kolbenseite 19 in einer Ringnut ein Dichtgummi 40 eingelegt ist. Auf die Federseite 20 ist eine Endkappe 28 aufgeschraubt. Die Kolbenseite 19 ist auf der dem Deckel 27 abgewandten Seite mit einem Außengewinde 41 versehen. Auf dieses Außengewinde 41 ist die Federseite 20 des Zylinders 21 aufgeschraubt und mit einer Madenschraube 42 gegen ein selbständiges Lösen gesichert. In einem bestimmten Abstand von der Stirnfläche der Kolbenseite 19 ist in die Wandung der Kolbenseite 19 eine radiale Bohrung 43 eingebracht, in die ein Ableitungsrohr 44 eingebunden ist. Das Ableitungsrohr 44 ist mit einem Auffangbehälter 45 verbunden, der außen am Zylinder 21 über ein Aufnahmeteil 46 befestigt ist. Der Kolben 22 ist in seinem Durchmesser geringer gehalten als die Druckfeder 23. Zur Federseite 20 hin besitzt der Kolben 22 einen Zapfen 32, auf den eine Federplatte 24 mit einem Bund aufgesteckt ist. Die Druckfeder 23 ist mit einer Seite auf den Bund der Federplatte 24 aufgesetzt und von diesem geführt. Das andere Ende der Druckfeder 23 ist von einer zweiten Federplatte 33 ebenfalls innen führend aufgenommen. Diese zweite Federplatte 33 sitzt in der Endkappe 28. Durch Verdrehen der Endkappe 28 wird die Druckfeder 23 vorgespannt. Dazu dient ein Sechskantbund 47, der an die Endkappe 28 angeschweißt ist. Nach Einstellung der gewünschten Vorspannung wird die Endkappe 28 mittels einer Schraube 48 gegen ein selbständiges Lösen gesichert. Der Deckel 27 weist neben vier Bohrungen zur Aufnahme von Schrauben 25 zur Befestigung des Deckels 27 noch zwei Bohrungen auf, die in den Zylinderarbeitsraum 26 münden. In eine Bohrung ist ein Anschluß 29 für eine Zuleitung von dem Lagerschmierspalt des Gleitlagers eingebracht. Die andere Bohrung nimmt über einen Anschluß 30 ein Kontrollmanometer 31 auf. In dem Kolben 22 ist eine Gewindespindel 34 befestigt, die mittig durch die Federseite 20 und die Endkappe 28 nach außen geführt ist und abhängig von der Stellung des Kolbens 22 einen am Zylinder 21 angeordneten Endschalter 35 betätigt. Über den Endschalter 35 wird das Verlassen des vorgegeben Druckbereiches signalisiert.

Eine bestimmte Einbauanlage der Fettpuffereinrichtung 18 ist für eine ordnungsgemäße Arbeitsweise der Anordnung nicht erforderlich. Im vorliegenden Anwendungsfall an den Lagern der Leitschaufeln 1 einer Pumpturbine erfolgte der Anbau in vertikaler Lage in der Nähe der einzelnen Leitschaufellager. Dazu wurde am Zylinder 21 ein Befestigungsflansch 49 angeordnet. Der Kolben 22 wird durch die Druckfeder 23 in seiner Endlage gehalten. Die Federplatte 24 liegt an der Rückseite des Kolbens 22 und an der Stirnseite der Kolbenseite 19 an. Dadurch ist es möglich, sowohl den Deckel 27 als auch den Kolben 22 zu demontieren, ohne die Druckfeder 23 zu entspannen.

Das erforderliche Fett wird von der Zentralschmieranlage 16 über die Bohrung 13 und das Rohr 11 dem Lagerzapfen im unteren Lager 3 zugeführt. Dabei tritt das Fett am oberen Rand über den radialen Kanal 9 in den Lagerspalt, füllt über einen Ringkanal und mehrere Schmiernuten zuerst den Lagerspalt und dann den unteren radialen Kanal 10 bis zur Bohrung 8 im Anschlußstutzen 7 aus. Der Lagerspalt im oberen Lager 2 wird über die außermittige Bohrung 14 im Anschlußstück 12, den verbleibenden Ringraum in der Bohrung 5 der Leitschaufel 1 und den radialen Kanal 15 gefüllt. Über einen entsprechenden Ringkanal und mehrere Schmiernuten wird der gesamte Lagerspalt einschließlich der Bohrung 17 im Turbinendeckel nach oben hin gefüllt. Bei einer Erhöhung des Fettdruckes im oberen und/oder unteren Lagerspalt wirkt dieser über den Anschluß 22 auf den Kolben 12 der jeweiligen Fettpuffereinrichtung 18. Übersteigt das Produkt aus Kolbenfläche mal Fettdruck die Vorspannkraft der Druckfeder 23, bewegt sich der Kolben 22 bei ansteigender Federkraft gegen die Druckfeder 23 bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Dabei fließt ein dem Kolbenweg proportionales Fettvolumen in den Zylinderarbeitsraum 26. Gibt der Kolben 22 in seinem Bewegungsablauf die radiale Bohrung 43 frei, so tritt Fett über das Ableitungsrohr 44 in den Auffangbehälter 45 über. Auf diese Weise wird der Druckanstieg im Lagerspalt begrenzt.

Der Durchmesser des Kolbens 22 sowie dessen Hub bis zur Freigabe der radialen Bohrung 43 und die Abmessungen der Druckfeder 23 einschließlich ihrer Federkonstanten sind nach dem zu puffernden Fettvolumen und den einzuhaltenden Fett- Grenzdrücken im Lagerspalt festzulegen. Läßt der Druck im Lagerspalt nach, wird durch die Druckfeder 23 über den Kolben 22 gespeichertes Fett in den Lagerspalt zurückgedrückt.

Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

• - das Gleitlager ist ständig mit Fett gefüllt,
• - die Fettfüllung wird innerhalb eines bestimmten Druck­ grenzbereiches gehalten,
• - die ständig unter Überdruck stehende Fettfüllung führt zu einer hohen Schwingungsdämpfung in den Leitschaufellagern,
• - die hohe Schwingungsdämpfung reduziert den Verschleiß und verlängert die Lebensdauer der Leitschaufellager,
• - durch Signalisation über Endschalter und entsprechender Verkabelung ist eine ständige Kontrolle von zentraler Stelle aus gegeben,
• - mit der Signalisation kann eine Frischfettzufuhr automatisch gesteuert werden,
• - austretendes Altfett wird gesammelt,
• - der Fetteinsatz kann ohne Einschränkung der Funktionstüchtigkeit des Lagers minimiert werden,
• - keine Umweltverschmutzung durch austretendes Fett aus dem Lager.

Bezugszeichenliste

1 Leitschaufel
2 Lager
3 Lager
4 Strömungskanal
5 Bohrung
6 Paßstück
7 Anschlußstutzen
8 Bohrung
9 Kanal
10 Kanal
11 Rohr
12 Anschlußstück
13 Bohrung
14 Bohrung
15 Kanal
16 Zentralschmieranlage
17 Bohrung
18 Fettpuffereinrichtung
19 Kolbenseite
20 Federseite
21 Zylinder
22 Kolben
23 Druckfeder
24 Federplatte
25 Schraube
26 Zylinderarbeitsraum
27 Deckel
28 Endkappe
29 Anschluß
30 Anschluß
31 Kontrollmanometer
32 Zapfen
33 Federplatte
34 Gewindespindel
35 Endschalter
36 Dichtung
37 Dichtung
38 Druckschlauchleitung
39 Rückschlagventil
40 Dichtgummi
41 Außengewinde
42 Madenschraube
43 Bohrung
44 Ableitungsrohr
45 Auffangbehälter
46 Aufnahmeteil
47 Sechskantbund
48 Schraube
49 Befestigungsflansch

Claims (6)

1. Anordnung zur Druckhaltung in den mit einem bestimmten Überdruck betriebenen, von einer Zentralschmieranlage fettgeschmierten Gleitlagern der Leitschaufeln von Pumpturbinen, wobei die Leitschaufeln oberhalb und unterhalb des Strömungskanals gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Leitschaufel (1) im oberen Lager (2) und unteren Lager (3) zum Strömungskanal (4) hin in beide Richtungen wirkende Dichtungen (36) angeordnet sind, in die Bohrung (5) der Leitschaufel (1) im unteren Lager (3) ein Paßstück (6) und ein die Bohrung (5) abdichtender Anschlußstutzen (7) mit einer axialen Bohrung (8) eingesetzt sind, in den Lagerzapfen des unteren Lagers (3) am oberen Rand ein radialer Kanal (9) vom Paßstück (6) zum Lagerspalt und am unteren Rand ein radialer Kanal (10) vom Lagerspalt zur Bohrung (8) im Anschlußstutzen (7) eingebracht sind, in die Bohrung (5) der Leitschaufel (1) mittig ein bis zum Paßstück (6) durchgehendes Rohr (11) eingezogen ist, das an der Stirnfläche des oberen Lagers (2) von einem Anschlußstück (12) gehalten ist, das Anschlußstück (12) mit einer axialen mittigen Bohrung (13) und einer axialen außermittigen Bohrung (14) versehen ist, im Lagerzapfen des oberen Lagers (2) am unteren Rand ein radialer Kanal (15) von der Bohrung (5) der Leitschaufel (1) bis zum Lagerspalt vorgesehen ist, an den axialen Bohrungen (13; 14) die Zentralschmieranlage (16) und an die vorhandene axiale Bohrung (17) im Turbinendeckel sowie den Anschlußstutzen (7) je eine Fettpuffereinrichtung (18) angeschlossen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fettpuffereinrichtung (18) aus einem in eine Kolbenseite (19) und eine Federseite (20) geteilten Zylinder (21) gebildet ist, der auf der Kolbenseite (19) einen Kolben (22) und auf der Federseite (20) eine Druckfeder (23) aufnimmt, die Wandung des Zylinders (21) auf der Kolbenseite (19) stärker ausgebil­ det ist als auf der Federseite (20), der Kolben (22) in seinem Durchmesser geringer gehalten ist als die Druckfeder (23) und zwischen dem Kolben (22) und der Druckfeder (23) eine Federplatte (24) eingesetzt ist, in die Wandung der Kolbenseite (19) ein Ableitungsrohr (25) eingebunden ist, das mit einem am Zylinder (21) befestigten Auffangbehälter (26) verbunden ist, der Zylinder (21) auf der Kolbenseite (19) von einem Deckel (27) und auf der Federseite (20) von einer aufgeschraubten Endkappe (28) verschlossen ist und in dem Deckel (27) ein Anschluß (29) für eine Zuleitung von der axialen Bohrung (17) bzw. von dem Anschlußstutzen (7) sowie ein Anschluß (30) für ein Kontrollmanometer (31) vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (22) zur Federseite (20) hin mit einem Zapfen (32) versehen ist, der die Federplatte (24) aufnimmt.

4. Anordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder (23) am Ende der Federseite (20) von einer zweiten Federplatte (33) gehalten ist, die in der Endkappe (28) geführt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kolben (22) eine Gewindespindel (34) befestigt ist, die mittig durch die Federseite (20) und die Endkappe (28) nach außen geführt ist und mit einem am Zylinder (21) angeordneten Endschalter (35) in Wirkverbindung steht.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (11) einen kleineren Durchmesser aufweist als die Bohrung (5) der Leitschaufel (1).