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Die Erfindung betnfft die Abdichtung des Laufrades von hydraulischen Turbomaschinen wie Turbinen, Pumpturbinen oder Speicherpumpen gegenüber dem Turbinengehäuse, mittels einer Dichtung im Bereich des Spaltes.
Derartige Abdichtungen sind in verschiedener Ausbildung bekannt, es wird dazu auf den weiter unten, nach der allgemeinen Übersicht über verschiedene hydraulische Turbomaschinen, abge- handelten Stand der Technik verwiesen.
Kaplanturbinen für niedrige, Francisturbinen für mittlere und Peltonturbinen für hohe Fallhöhen bilden das moderne Standardrepertoire auf dem Gebiete des Turbinenbaues. Francisturbinen decken dabei im wesentlichen den Fallhöhenbereich zwischen 30 und 400 m ab.
Dabei erreichen Francisturbinen im niedrigeren Fallhöhenbereich Wirkungsgrade von etwa 95 % und im oberen Fallhöhenbereich bis über 92 %. Insbesondere im oberen Fallhöhenbereich sind für die bisher nicht zu beseitigende Herabsetzung des Wirkungsgrades die Spaltverluste und die Scheibenreibung verantwortlich. Zur Erläuterung dieser beiden Phänomene soll im folgenden kurz auf Aufbau und Wirkungsweise einer Francisturbine eingegangen werden:
Bei Francisturbinen strömt das die Turbine antreibende Wasser aus einer waagrecht liegenden Spirale durch ein Leitrad zum Laufrad. Das schnell rotierende Laufrad setzt die Druck- und Ge- schwindigkeitsenergie des Wassers in die Drehbewegung der Welle, auf der das Laufrad befestigt ist, um und treibt damit einen Generator zur Stromerzeugung an.
Das Triebwasser verlässt das Laufrad und auch die Turbine durch ein Saugrohr in axialer Richtung nach unten.
Im peripheren Bereich des Laufrades, an den äusseren Enden der Schaufelkanäle, bewegen sich diese mit hoher Geschwindigkeit am feststehenden Turbinengehäuse vorbei, wobei zwischen diesen Teilen ein Spalt nicht zu vermeiden ist, durch den das von den Leitschaufeln kommende Wasser am Laufrad vorbei strömt und so in die spaltförmigen Bereiche zwischen der Aussenfläche des Laufrades und der Innenfläche des Turbinengehäuses gelangt. Durch die grossen Geschwin- digkeitsunterschiede zwischen dem feststehenden Gehäuse und dem rotierenden Laufrad kommt es zu beträchtlichen Reibungsverlusten. Darüberhinaus entsteht durch den grossen Druck, der im oberen Spalt herrscht, ein gewaltiger Axialschub, der die Welle und das Axiallager extrem belastet.
Aus diesen Grund sieht man im äusseren Umfangsbereich des Laufrades eine Labyrinthdichtung (wie beispielsweise in : Rabe, Hydraulische Maschinen und Anlagen, beschrieben) vor und führt das durch diese Labyrinthdichtung hindurch gelangende Wasser an der Turbine vorbei. Man nimmt somit beim Stand der Technik eine Leckage in Kauf, die schon bei mittelgrossen Turbinen bis zu 0,5 m3/s betragen kann.
Da nun aus dem genannten Grund die Labyrinthdichtung im Aussenbereich des Laufrades an- geordnet ist, kommt es bei den geringen angestrebten Spaltbreiten zu erheblichen Reibungsverlus- ten und hohen bremsenden Drehmomenten. Darüberhinaus sind diese Dichtungen teuer in der Herstellung und eben auch wegen der hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen den einander gegenüberstehenden Flächen durch die immer wieder im Wasser mitgerissenen und enthaltenen Verunreinigungen, wie Sandkörner, Holzstückchen u.dgl. einem ständigen Verschleiss ausgesetzt, der aufwendige Wartungsarbeiten und Reparaturen notwendig macht.
Eine wirkliche Dichtung im Aussenbereich des Laufrades vorzusehen, ist, anders als direkt an der Welle, die ja durch das Gehäuse geführt wird, nicht möglich. Der Grund dafür liegt einerseits in den schon mehrfach genannten hohen Relativgeschwindigkeiten der einander gegenüberstehen- den Bauteile, anderseits in den dynamischen Problemen, die sich durch die unvermeidlichen Relativbewegungen (quer zur Hauptdrehbewegung) bei diesen Abmessungen und den auftreten- den Kräften ergeben. Diese Relativbewegungen erfolgen im wesentlichen in axialer Richtung und treten bei Änderungen des Betriebszustandes, aber auch durch Toleranzen, Lagerspiel, sto- chastisch angeregte Schwingungen u.ähnl. auf.
Es ist nun in der Elektrizitätserzeugung die Frage eines möglichst hohen Wirkungsgrades von ausschlaggebender Bedeutung, einerseits aus kaufmännischen Überlegungen, andererseits aus Gründen der Schonung der Umwelt. Von den genannten 5 bis 7 % der derzeit noch nicht genutzten im Treibwasser enthaltenen Energie geht ein vergleichsweise grosser Anteil, der insbesondere bei Francisturbinen, die im Bereich der hohen Fallhöhen und damit Drücke arbeiten, auf das Konto der Spaltverluste und hier insbesondere wieder auf das Konto der Verluste im oberen Spaltbereich in Verbindung mit der damit einhergehenden Scheibenreibung.
Es wurden schon verschiedene Versuche unternommen, um diese Problematik in den Griff zu
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bekommen. Dazu sei nur auf einen von der VA TECH VOEST MCE unter dem Begriff "Polar Sea- ling" veröffentlichten Vorschlag verwiesen, bei dem im äusseren Bereich des Laufrades vom Ge- häuse aus durch Abkühlen ein Eiswulst gebildet wird, der während des Betriebes bis zum Laufrad wächst und dort leicht schleifend anliegt und so die Dichtung übernimmt. Es ist dies ein hervorra- gendes Beispiel dafür, wie schwierig die Abdichtung in diesem Bereich einer Francisturbine ist, wenn von einem der führenden Unternehmen der Welt auf dem Gebiet der Herstellung derartiger Turbinen eine solche aufwendige, sich selbst regenerierende Dichtung vorgeschlagen wird.
Die mit dieser Dichtung verbundenen Probleme liegen vor allem in der Gefahr des Zerbrechens zumindest eines Teiles des Eisringes und der nachfolgenden Undichtigkeit, weshalb in der Druck- schrift vorgeschlagen wird, diese Dichtung zusätzlich zur althergebrachten Labyrinthdichtung vorzusehen. Mit dieser Strategie kann nun wohl eine Verringerung der Leckage und der damit zusammenhängenden Probleme erreicht werden, doch geschieht dies um den Preis einer hohen Investition und die Verwendung eines komplexen zusätzlichen Bauteiles, das zusätzlicher Wartung und Pflege bedarf.
Eine Lösung mit hydrostatischer Lagerung ist aus der DE 25 54 217 A1 bekannt : Dabei wird ein Dichtungsring über im wesentlichen tangential verlaufende Arme gehalten und in einer Ringnut des Gehäuses dicht gelagert. Diese Dichtung gegenüber dem Gehäuse kann über elastomere Ringe oder ähnliche Elemente erfolgen, die in der Nut angebracht sind und grossflächig an Mantel- flächen des Ringes anliegen, was wiederum seine Beweglichkeit in axialer Richtung deutlich be- hindert und so die Änderung der Spalthöhe zwischen Ring und Laufrad ungünstig beeinträchtigt.
Diese Änderung ist in Anbetracht der unvermeidlichen axialen Bewegung des Laufrades gegen- über dem Gehäuse zur Erzielung einer möglichst effizienten hydrostatischen Dichtung aber unbe- dingt notwendig. Das zur hydrostatischen Dichtung benötigte Wasser wird dem Ring in einer An- zahl von Ausführungsbeispielen über Rohre od.dergl. zugeführt, was seine Beweglichkeit weiter behindert.
Eine andere Lösung ist aus der CH 659 856 A5 bekannt: Es wird ein gegenüber dem Gehäuse im wesentlichen unbeweglicher Ring radial und durch hydrostatische Dichtung berührungsfrei gegenüber dem Laufrad (Nabenscheibe, Deckscheibe) abgedichtet, wobei zur Verbesserung der raschen Einstellbarkeit der Spalthöhe der Ring in axialer Richtung ebenfalls durch eine Art hydro- statische Lagerung möglichst reibungsarm gelagert wird. Das Lagerwasser für das Axiallager wird dabei vom Lagerwasser für das Radiallager abgezweigt. Es ist aber dieser Ring unvermeidlicher- weise auch an (mehreren) radial verlaufen den, zylindrischen Versorgungsleitungen für das Lager- wassser gehalten und durch O-Ringe gegenüber diesen Leitungen abgedichtet.
Es kann somit diese Lagerung des Ringes nicht als "schwimmend" bezeichnet werden, da die Änderung der Spalthöhe im Radiallager durch diese O-Ringe deutlich behindert ist. Der gesamte Aufbau der Dichtung ist kompliziert und erfordert die Einhaltung einer ganzen Reihe von engen Toleranzen auf verschiedenen, in ihren Abmessungen durchaus beachtlich grossen Bauteilen.
Die DE 196 11 677 A1 schlägt eine als "berührungsfrei" bezeichnete Dichtung mit einem als "schwimmend" bezeichneten Ring vor. Der Ring ist dabei dicht, verdrehsicher und elastisch abge- stützt (und nicht berührungsfrei) am Gehäuse gelagert, die zum Läufer gerichtete zylindrische Oberfläche weist zwei Zonen auf : die die Funktion einer Labyrinthdichtung ausübt und eine, die eine Zentrierfunktion ausübt. Es wird so die Leckage zum Zentrieren des Ringes verwendet.
Daher liegt kein hydrostatisches Lager im strengen Sinn vor. Bei diesem Vorschlag liegen grosse Probleme in der Lagerung des Ringes am Gehäuse, da ja eine gute Beweglichkeit des Ringes und eine dichte Anbindung simultan erreicht werden muss. Wie dies zufriedenstellend zu lösen ist, wird nicht ausgeführt. Andere Probleme liegen in der Tatsache begründet, dass bei der anzustrebenden geringen Leckage eine Zentrierung kaum erreichbar ist.
Ein wirklich frei beweglicher Ring ist aus der WO 93/21464 A1 bekannt : In einer im wesentli- chen rechteckigen Dichtkammer zwischen einer Welle mit radial vorspringender Schulter und einem L-förmigen Gehäuseabschnitt ist ein Ring frei eingelegt. Durch einen Spalt an der Welle tritt Medium ein und durch einen Spalt an der Schulter wieder aus. Durch die Leckage und ringleisten- förmige Vorsprünge am Ring hebt dieser ab und rotiert frei mit etwa der halben Drehgeschwindig- keit der Welle. Diese Dichtung bildet aber kein hydrostatisches Lager aus, sondern nutzt einfach die Leckage, die durch die geometrische Ausbildung des Ringes und der Kammer kleiner ist als bei einem glatten Durchtritt der Welle. Insbesondere im Abstand von der Welle, somit im erfindungs-
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gemässen Anwendungsbereich, ist diese Dichtung völlig unbrauchbar.
Die Erfindung bezweckt eine Dichtung zu schaffen, die bei allen eingangs genannten hydraulischen Turbomaschinen auf einfache und zuverlässige Weise gegenüber dem Stand der Technik eine deutlich verbesserte Dichtwirkung zu Wege bringt.
Erfindungsgemäss ist zur Erreichung dieser Ziele vorgesehen, im peripheren Bereich des Laufrades einen fliegenden Dichtring anzuordnen, der sowohl gegenüber dem Laufrad als auch gegen- über dem Turbinengehäuse mittels jeweils zumindest eines hydrostatischen Lagers gelagert ist und dass jedes der hydrostatischen Lager aus einander zugewandten Lagerflächen besteht, dass bevorzugt in zumindest eine der Lagerflächen eine Nut eingearbeitet ist, und dass in eine der Lagerflächen Druckwasserleitungen münden, die mit einer Druckwasserversorgung in Verbindung stehen.
Unter der Bezeichnung "fliegend" wird in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verstanden, dass den Lagerbewegungen des Ringes keine Führungskräfte entgegenwirken, die ihrer Grösse nach über die Grösse der Kräfte der hydrostatischen Lagerung hinausgingen. Im Stand der Technik sind derartige Kräfte beispielsweise die Reibungskräfte der elastomeren Elemente bzw. die Reibungskräfte der O-Ringe. Durch die Erfindung wird die Menge des Spaltwassers drastisch verringert, die Scheibenreibung um Grössenordnungen reduziert und der Axialschub wird wesentlich herabgesetzt. Da die Leckage erfindungsgemäss nur aus Lagerwasser besteht, wird auch die Gefahr des Eindringens von Fremdkörpern in den Dichtungsbereich und damit die Gefahr der Beschädigung der Dichtung stark vermindert.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtung zwischen dem Turbinengehäuse und dem Dichtring an der radial äusseren zylindrischen Wand einer Ringleiste des Turbinendeckels des Turbinengehäuses stattfindet. Damit erfolgt die Hauptbewegung des Ringes in axialer Richtung, dem Kippen und der Hauptdeformation des Laufrades in seinem äusseren Bereich folgend. Dies ist wegen des in dieser Richtung zur Verfügung stehenden Weges vorteilhaft.
Es sind an sich hydrostatische Lager im Maschinenbau und insbesondere im Wasserkraftmaschinenbau bekannt, doch war es bisher nicht möglich, sie zwischen Bauteilen einzusetzen, deren Abstand und Lage zueinander sich in einem solchen Ausmass ändern kann, wie dies beispielsweise am Aussenumfang eines Laufrades einer Francisturbine der Fall ist. Nur durch die erfindungsgemässe hydrostatische Lagerung gegenüber beiden Bauteilen ist es möglich, diese Toleranzen und Bewegungen auszugleichen, ohne die Dichtwirkung herabzusetzen und ohne Kollisionen befurchten zu müssen.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Dichtring gegen Rotation gegenüber dem Turbinengehäuse gesichert ist und dass die zumindest eine Drackwasserleitung für seine dem Laufrad zugewandte Lagerfläche flexibel ausgebildet ist. Auf diese Weise wird der axialen Bewegung des Dichtringes keine nennenswerte Kraft entgegengesetzt.
In einer Weiterbildung der Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Sicherung gegen Rotation des Dichtringes gegenüber dem Turbinengehäuse aus einer flexiblen und bevorzugt symmetrischen Aufhängung besteht, die zumindest im wesentlichen in einer Normalebene zur Turbinenachse liegt, in der auch der Dichtring liegt. Damit wird die axiale Beweglichkeit des Dichtringes weiter verbessert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an der Lagerfläche zwischen dem Gehäuse und dem Dichtring zumindest eine Druckwasserleitung, die mit einer Druckwasserversorgung in Verbindung steht, mündet und dass der Dichtring Bohrungen aufweist, die von seiner Lagerfläche gegenüber dem Gehäuse zu der Lagerfläche des Dichtrings gegenüber dem Laufrad führen. So ist es möglich, bei rotierendem Dichtring auch das hydrostatische Lager zwischen Dichtring und Laufrad mit Druckwasser zu versorgen.
Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Lagerfläche zwischen dem Gehäuse und dem Dichtring im Gehäuse zwei, axialen Abstand voneinander aufweisende, Reihen von Druckwasserleitungen münden und dass einer dieser Reihen Bohrungen im Dichtring gegenüberstehen, die in der Lagerfläche des Dichtringes gegenüber dem Laufrad münden. Dadurch wird es möglich, dass geometrische Änderungen des Lagerspaltes eines der beiden Lager praktisch ohne Einfluss auf die Verhältnisse im anderen Lager bleiben.
Eine weitere Fortbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwasserleitungen für das
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Lager zwischen Dichtring und Laufrad einerseits und die Druckwasserleitungen für das Lager zwischen Dichtring und Gehäuse andererseits unabhängig voneinander mit Druckwasser versorgt bzw. mit Druck beaufschlagt werden. Damit erreicht man auch bei widrigsten Bedingungen günsti- ge und beherrschbare dynamische Verhältnisse in beiden Lagern. Dies stellt auch einen wesentli- chen Beitrag zur Stabilität der Lagerung, genauer zur Lagerbewegung des Ringes, dar.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die Fig. 1 eine Francisturbine gemäss dem Stand der Technik, die Fig. 2 den Bereich zwischen Gehäuseoberteil und Laufradboden einer erfindungsgemässen Ausführungsform, die Fig. 3 eine Variante mit rotierendem Dichtring, die Fig. 4 eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Variante gemäss Fig. 3 und die Fig. 5 eine Variante eines erfindungsgemässen Dichtringes ähnlich dem der Fig. 4.
In den Figuren wurden gleiche Teile bzw. Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, wo- bei zur leichteren Zuordnung zur jeweiligen Figur deren Nummer als Hunderterstelle vorangestellt wurde.
Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Francisturbine 101 gemäss dem Stand der Technik, wie sie dem Buch: "Rabe, Hydraulische Maschinen und Anlagen" zu entnehmen ist:
In einem Gehäuse 102 rotiert ein Laufrad 103, wobei der Eintritt des Wassers durch ein Leitrad 104 bzw. dessen einzelne Schaufeln erfolgt, die verdrehbar, aber mit ortsfester Achse 108 im Gehäuse 102 angeordnet sind. Das Laufrad 103 besteht aus einzelnen Kanälen, die sowohl in Umfangsrichtung als auch gegenüber der Turbinenachse 107 gekrümmt verlaufen, sodass das Wasser das Laufrad 103 im wesentlichen in axialer Richtung nach unten ins Saugrohr 105 verlässt.
Zwischen dem feststehenden Gehäuse 102 und dem Laufrad 103 besteht naturgemäss ein obe- rer Spalt bzw. Spaltraum 109 und ein unterer Spalt bzw. Spaltraum 110. Der untere Spalt 110 führt zum Verlust des Spaltwassers, das, ohne dass die in ihm enthaltene Energie abgearbeitet werden könnte, in den Bereich des Saugrohres gelangt, aber, abgesehen von diesem Verlust, keine weite- ren Probleme liefert.
Anders ist es mit dem Spaltwasser, das in den oberen Spaltraum 109 zwischen dem Laufrad- boden 111 und den Turbinendeckel 112 gelangt. Da der Turbinendeckel gegenüber der rotieren- den Welle 106 mittels einer Stopfbuchsendichtung 113 dicht abgeschlossen ist, stellt sich in die- sem Spaltraum 109 nahezu der Druck des Oberwassers ein (genauer: Druck vor Eintritt in das Laufrad), was zu einer beträchtlichen Belastung der Welle 106 bzw. ihres Axiallagers führt. Dar- über hinaus kommt es durch die Wasserscheibe, die sich zwischen dem Turbinendeckel 112 und dem Laufradboden 111ausbildet, zu beträchtlicher Reibung, die zufolge der hohen Umfangsge- schwindigkeiten von grössenordnungsmässig 35 m/s und dem grossen Hebelarm zur Laufradachse 107 von heute meist einigen Metern zu grossen, die Wellendrehung bremsenden Drehmomenten führt.
Um diese Probleme zu verringern, ist im Stand der Technik im äussersten Bereich des Laufrad- bodens 111 eine Labyrinthdichtung 114 vorgesehen, deren engste Spalten im grössenordnungs- mässigen Bereich von etwa 1 mm liegen. Um den Druckaufbau, dies können bis zu 30 bar und auch darüber sein, zu vermeiden, wird Leckwasser durch eine Entlastungsleitung 115 über eine Drossel 116 zum Saugrohr 105 geführt. Darüber hinaus können auch Entlastungsbohrungen vorgesehen sein.
Erfindungsgemäss wird nun vorgeschlagen, zwischen dem Gehäuse 102 und der Turbine 103, speziell, aber nicht ausschliesslich am peripheren Bereich des Laufradbodens 111, eine Dichtung vorzusehen, durch die der Fluss des Spaltwassers drastisch reduziert wird.
Eine solche erfindungsgemässe Dichtung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt : Laufrad 203 ist eine Laufbahn 217 vorgesehen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als eigener ringförmi- ger Körper dargestellt ist. Dies muss nicht der Fall sein, es kann die Laufbahn 217 bei der Herstel- lung des Laufrads 203 einstückig mit ihm hergestellt, beispielsweise aus dem Vollen gedreht bzw. geschliffen werden. Die eigentliche Dichtungsfläche 218 verläuft normal zur Drehachse 107 der Turbine. Mit der Dichtungsfläche 218 wirkt eine Stirnfläche 220 eines Dichtrings 219 zusammen.
Dieser Dichtring ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in seiner einfachsten Form mit rechtecki- gem Querschnitt dargestellt. Wie weiter unten näher erläutert wird, kann diese Form verschiedent- lich abgewandelt und an die Besonderheiten des jeweiligen Einsatzes angepasst werden.
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Der Dichtring 219 steht gegenüber dem Gehäusedeckel 212 still, das bedeutet, er rotiert nicht mit dem Laufradboden 211 mit. Der Dichtring 219 ist allerdings gegenüber dem Gehäuse, insbe- sondere gegenüber dem Turbinendeckel 212 in gewissen Grenzen axial verschieblich, wie im folgenden näher erläutert wird. Aus dem Bereich des Turbinendeckels 212 führen mehrere, zumin- dest aber eine, flexible Druckwasserleitungen 221 zum Dichtring 219. Der Dichtring 219 weist gegebenenfalls in seinem Inneren zumindest einen Ringkanal auf, der sich zu einer ringförmigen Nut an seiner unteren Stirnfläche 220 öffnet oder in diese Nut übergeht bzw. von ihr gebildet wird.
Durch die Druckwasserleitungen 221 zugeführtes Druckwasser bildet im Zusammenwirken der Nut und der ihr gegenüberstehenden Dichtungsoberfläche 218 ein hydrostatisches Lager für den Dichtring 219 aus. Der Lagerspalt weist dabei eine Spalthöhe im Bereich von etwa 10 bis 50 Mik- rometer auf, liegt somit im Vergleich zu den Spaltbreiten der herkömmlichen Labyrinthdichtung (Fig. 1) in einem Bereich von einem oder einigen wenigen Prozenten.
Es konnte eine solche an sich bekannte hydrostatische Dichtung im vorliegenden Anwen- dungsgebiet wegen der extremen Relativgeschwindigkeiten, wie weiter oben bereits erwähnt, im Bereich von grössenordnungsmässig 35 m/s und vor allem im Hinblick auf die hohen auftretenden Drücke (30 bar und darüber) und der für die Anwendung von hydrostatisch gelagerten Dichtringen als zu gross angesehenen axialen Bewegungen des Laufrads 203 gegenüber dem Turbinendeckel 212 nicht angewandt werden, da es nämlich notwendig ist, den Dichtring 219 in axialer Richtung zu führen und diese Führung zufolge der geschilderten Betriebsbedingungen bisher immer gescheitert ist.
Erfindungsgemäss werden die damit verbundenen Probleme dadurch gelöst, dass der Dichtring 219 in axialer Richtung mittels eines zylindrischen hydrostatischen Lagers beweglich am Turbinen- deckel 212 geführt wird. Dieses Lager ist folgendermassen aufgebaut:
Der Turbinendeckel 212 weist eine in axialer Richtung zum Laufrad 203 hin ragende Ringleiste 223 auf, deren äussere Zylinderfläche (gegebenenfalls mit einer Auflage analog zur Dichtungsober- fläche 218) als Lagerfläche 224 dient. Dazu ist zumindest eine Nut in dieser Lagerfläche 224 vorgesehen, der, wie bei hydrostatischen Lagern üblich, Druckwasser durch zumindest eine Druckwasserleitung 222 zugeführt wird. Auf diese Weise wird zwischen dem Dichtring 219 und dem Turbinendeckel 212 eine Lagerung geschaffen, die dem Dichtring in axialer Richtung eine nahezu reibungsfreie Bewegung gestattet.
Dazu kommt noch, dass durch diese Lagerung ein "Kippen" des Dichtringes 219 (eigentlich eine Torsion oder ein Krempeln) zuverlässig vermieden wird. Ein solches Kippen des Dichtringes 219 ist bei den auf ihn wirkenden dynamischen Belastun- gen ohne eine solche Führung bzw. Lagerung durchaus möglich und führt zum Zusammenbruch des dichtenden Zusammenwirkens zwischen dem Dichtring 219 und der Dichtungsfläche 218.
Die erfindungsgemässe Lösung des Dichtungsproblemes ist nicht nur dynamisch sondern auch energetisch günstig und mit relativ einfachen und geringen Investitionen verbunden. Es kann das Druckwasser für die beiden hydrostatischen Lagerflächen aus dem Oberwasser der Turbine ent- nommen werden, sodass keine oder nur eine geringe Pumpenleistung für die Überwindung der verbleibenden Druckdifferenz erforderlich ist. Ein Teil des Druckwassers strömt radial nach aussen und gelangt somit in das Laufrad, sodass ein entsprechender Teil der investierten Pumpenleistung in der Turbine wieder gewonnen wird. Wesentlich ist auch, dass durch das radial ausströmende Druckwasser das Eindringen von Fremdkörpern zuverlässig vermieden wird.
Die am Laufrad 103, 203 und im Turbinengehäuse 102,202 anzuordnenden Bauteile benötigen kaum Platz, jedenfalls weniger als die bisherige Labyrinthdichtung und es ist daher auch möglich, bestehende Turbinen entsprechend nachzurüsten.
Da die Betriebstemperatur der Turbinen durch die Temperatur des verwendeten Wassers ge- geben ist, gibt es trotz der engen anzustrebenden Spalthöhe auch am zylindrischen Spalt zwischen Dichtring 219 und Ringleiste 223 keine Probleme mit der thermischen Ausdehnung.
Die Fig. 3 zeigt ein Detail der besonders bevorzugten Ausführungsform mit rotierendem Dicht- ring 319 : Derzylindrischen Wandfläche der Ringleiste 323 wird durch die Druckwasserleitung 322 Druckwasser zugeführt und baut das bereits beschriebene hydrostatische Lager zwischen der Ringleiste 323 und dem Dichtring 319, der in diesem Falle eine Nut 325 aufweist, auf. Ein Teil des so der Nut 325 zugeführten Wassers gelangt durch Bohrungen 326 in den Bereich der Nut 327 an der axialen Stirnfläche 320 des Dichtringes 319 und baut dort, wie eben oben beschrieben, das hydrostatische Lager zwischen dem Laufrad 303 und dem Dichtring 319 auf.
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Es werden damit die flexiblen Druckwasserleitungen 221 und die Verdrehsicherung obsolet, ohne damit Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Ganz im Gegenteil, die Reibungsverluste wer- den durch den mit etwa halber Turbinendrehzahl rotierenden Dichtring 319 wesentlich verringert.
Durch den einfachen Aufbau eignet sich diese Variante auch besonders zum nachträglichen Ein- bau in bestehende Francisturbinen.
Die Anzahl, die Abmessungen und Ausgestaltungen der Bohrungen 326 kann vom Fachmann auf dem Gebiete der Hydrodynamik in Kenntnis der Erfindung und der jeweiligen Anforderungen leicht bestimmt und an verschiedene Betriebsbedingungen angepasst werden. So sind auch schrä- ge, von Nut zu Nut (genauer: von Lagerfläche zu Lagerfläche, da ja die Nuten auch in der gegenü- berstehenden Lagerfläche angeordnet sein können) gerade durchgehende Bohrungen möglich.
Die Erfindung kann vielfach ausgestaltet und an bestehende bzw. gegebene Verhältnisse an- gepasst werden. So ist es nicht notwendig, dass der Dichtring 219, 319 die dargestellte rechteckige Form aufweist. Es ist durchaus möglich, ihn L-förmig oder mit anderem Querschnitt zu versehen und so für eine bestmögliche Anpassung des Dichtringes an die geometrischen und dynamischen Gegebenheiten zu sorgen. Es kann die Oberfläche des Dichtringes im Bereich der beiden Lager mit Beschichtungen, Überzügen oder Auflagen versehen sein, um im Falle eines Kontaktes mit den gegenüberstehenden Flächen Beschädigungen zu vermeiden.
Selbstverständlich ist es möglich, insbesondere die Lagerfläche zwischen dem Dichtring 219, 319 und dem Laufrad 203,303 mit mehreren gegebenenfalls zumindest abschnittsweise neben- einander liegenden Nuten zu versehen, was insbesondere dann vorteilhaft sein kann, wenn das so gebildete hydrostatische Lager nicht als ein durchgehendes Lager ausgebildet sein soll, sondern aus mehreren, beispielsweise Sektoren entsprechenden, Abschnitten besteht. Dann ist der Verlauf der (einzelnen) Nut (en) notwendigerweise kreisbogenförmig sondern kann spiralig sein. Eine Unterteilung kann vorteilhaft sein, um im Falle des Eindringens von Fremdkörpern oder Schmutz sicherzustellen, dass es nicht zum Zusammenbruch der hydrostatischen Lagerung kommt.
Es kann beim Eintreten von Schmutz durchaus in einzelnen geometrisch begrenzten Teilen der Dichtfläche zu einer unzureichenden Versorgung mit Druckwasser kommen, doch kann dies dadurch ausgegli- chen werden, dass am Dichtring 219 mehrere, voneinander unabhängige Lagerabschnitte, die einander gegebenenfalls entsprechend überlappen, vorgesehen sind.
Das den beiden Lagern zugeführte Druckwasser strömt im wesentlichen entlang der Pfeile (mit strichlierten Spitzen) aus dem eigentlichen Lagerbereich und trägt so dazu bei, dass keine Fremd- körper in den Bereich der engen Lagerspalte gelangen (Fig. 2).
Der Dichtring 219 bedarf keiner axialen Anpressung, diese erfolgt durch den Druck (angedeutet durch die Pfeile mit ausgefüllten Spitzen) des ihn umgebenden Spaltwassers (Umgebungsdruck p1),doch ist es möglich u. U. vorteilhaft, eine Vorrichtung zum leichten Anpressen (Federn od.dgl.) vorzusehen, um den Dichtring im Falle des Stillstandes der Turbine nach erfolgter Betriebspause oder Inspektion in vorbestimmter Lage zu halten. Desgleichen kann eine Notabhebung für den Dichtring, beispielsweise bei ungenügendem Druck des Druckwassers, vorgesehen sein.
Die Fig. 4 zeigt eine besonders bevorzugte Variante der Erfindung. Der wesentliche Unter- schied zur Fig. 3 liegt darin, dass im Dichtungsbereich zwischen der Ringleiste 423 und dem Dicht- ring 419 ein hydrostatisches Lager mit zwei Nuten 425 bzw. 428 vorgesehen ist. Dabei dient die Nut 425 analog zum hydrostatischen Lager 225 in Fig. 2 der berührungsfreien Lagerung zwischen dem Dichtring 419 und der Ringleiste 423 und die Nut 428 besorgt durch Bohrungen 426 die Zuleitung von Druckwasser zum hydrostatischen Lager mit der Nut 427 zwischen dem Dichtring 419 und dem Laufrad 403. Dies ermöglicht es, auch bei rotierendem Dichtring 419, die beiden Lager 427,428 getrennt voneinander mit Druckwasser zu versehen, wenn nur getrennte Zuleitun- gen 421 und 422 vorgesehen sind.
In einer weiteren Ausgestaltung (Fig. 5) sind statt der breit eingezeichneten Nut 427 der Fig. 4 zwei Abstand voneinander aufweisende, schmälere Nuten 527,527' vorgesehen, die durch Boh- rungen 526 jede für sich aus der Nut 528 gespeist werden. Damit wird die Stabilität der Lagerung des Dichtringes 519 am Laufrad 403 (Fig. 4) weiter erhöht.
Diese Trennung der Druckwasserversorgung der beiden Lager führt dazu, dass bei Änderungen der Höhe einer der beiden Spalten der Druck im anderen Spalt (und damit dessen Höhe) wesent- lich geringer beeinflusst wird als bei der in Fig. 3 dargestellten Variante und im Idealfall überhaupt nicht. Dies verbessert nicht nur die Stabilität der hydrostatischen Lagerung allgemein sondern kann
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insbesondere periodische Bewegungen des Dichtungsringes dämpfen bzw. deren Anfachen ver- hindern.
In diesem Zusammenhang soll kurz auf die Druckwasserversorgung eingegangen werden. Es ist vorteilhaft und u. U. notwendig, dafür zu sorgen, dass beim Anstieg des Durchsatzes bei einer der (bzw. einigen benachbarten) Versorgungsleitungen in den benachbarten bzw. anderen Versor- gungsleitungen der Durchfluss möglichst unverändert bleibt. Dies kann aber durch entsprechende Dimensionierung bzw. Abstimmung der Querschnitte und/oder das Vorsehen entsprechender Drosseln in den einzelnen Versorgungsleitungen vom Fachmann auf dem Gebiete der Strömungs- technik in Kenntnis der Erfindung und der Rahmenbedingungen leicht bestimmt werden.
Ein Faktor für die Erreichung dieses Zieles ist, dass der Querschnitt der im Dichtring vorgesehenen Bohrun- gen zur Versorgung der Axialdichtung (in den dargestellten Beispielen) so gross ist, dass das Durchfliessen des Druckwassers möglichst verlustfrei erfolgt.
In jeweils einer Nebenfigur der Fig. 4 ist der Druckverlauf über die Dichtungsbreite zwischen dem Dichtring 419 und dem Gehäuse 423 bzw. dem Dichtring 419 und dem Laufrad 403 darge- stellt : Dabei steht p1 für den anstehenden Druck stromaufwärts des Dichtringes und p2 für den Druck stromabwärts des Dichtringes im Spalt zwischen der Ringleiste 423 und dem Laufrad 403 wie auch oben anhand der Fig. 1 erläutert. Wie ersichtlich, kann man durch die Lage und die Dimensionierung der Nuten 425,428 und 427 die Druckprofile und durch die Wahl der in den Versorgungsleitungen 421 und 422 herrschenden Drücke die Lage dieser Profile in Relation zum Druck p1 in weitem Umfang beeinflussen. Für einen Fachmann auf dem Gebiete der Strömungs- technik ist dies in Kenntnis der Erfindung nicht schwierig und ermöglicht die Anpassung an die unterschiedlichsten Randbedingungen.
Schliesslich ist es möglich, im Bereich der Lagerfläche(n) zwischen dem Dichtring 219, 319, 419 und den ihm gegenüber rotierenden Bauteilen hydrodynamische Schmiertaschen auf zumindest einer der beiden einander gegenüberstehenden Lagerflächen vorzusehen, um zusätzlich zur hydrostatischen Lagerung eine hydrodynamische Lagerung zu schaffen.
Die Fig. 5 zeigt eine Variante eines Dichtringes, bei der die Versorgung der Axialdichtung durch Bohrungen 526 erfolgt, die vom "unteren" Bereich (Nut 528) der Radialdichtung ausgehen. Weiters ist hier das Axiallager von dem in der Fig. 4 dargestellten dadurch unterschiedlich, dass es zwei Nuten 527,527', aufweist, die jede für sich mit Druckwasser versorgt werden. Diese Änderung hat auf das Funktionieren des Lagers keinen Einfluss, da sich der hydrostatische Druck natürlich auch zwischen den Nuten in gleicher Weise aufbaut. Der Dichtring 519 der Fig. 5 weist einen im wesent- lichen rechteckigen, aber nicht quadratischen Querschnitt auf (BA BR), an der Stelle des Spaltes zwischen dem Gehäuse und dem Laufrad ist eine asymmetrische Schulter 529 ausgebildet.
Da- durch ist es möglich, die auf den Dichtring wirkenden "Krempelmomente" auszugleichen (Momen- tengleichgewicht) und die durch sie induzierten Deformationen des Dichtringes zu reduzieren. In Anbetracht der nur etwa 10 bis 50 Mikrometer hohen Lagerspalte sind derartige Deformationen möglichst zu vermeiden.
In der Zeichnung ist die Dichtung zwischen dem Dichtring 219, 319, 419 und dem Gehäuse 202, 302, 402 immer als Radialdichtung dargestellt und die Dichtung zwischen dem Dichtring 219, 319, 419 und dem Laufrad 211, 311 ,411 als Axialdichtung. Dies kann natürlich auch umgekehrt sein und kann für den Verlauf der gehäuseseitigen Versorgungsleitungen auch Vorteile bringen, wenn auch bei einer derartigen Anordnung mit rotierendem Dichtring das Druckwasser im Dichtring gegen die Zentrifugalbeschleunigung gefördert werden muss.
Der Dichtring 219,319, 419 und die mit ihm zusammenwirkenden Flächen des Laufradbodens 211, 311, 411 bzw. des Turbinendeckels 212, 312, 412 können aus den üblicherweise bei hydro- statischen Dichtungen verwendeten Materialien bestehen, so kann die Oberfläche 224 der Ring- leiste 223 (oder diese selbst) bzw. die Oberfläche der Laufbahn 217 aus Stahl oder einem Lager- metall bestehen, der Dichtring 219, 319, 419, 519 kann aus Stahl oder ebenfalls aus einem Lager- metall aber auch aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung gebildet sein. Selbstverständlich ist es auch möglich und in vielen Fällen empfehlenswert, zumindest den Dichtring 219, 319, 419, 519 aus einem Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff oder aus einem kera- mischen Material zu fertigen.
Es ist auch denkbar, bei einer Ausführungsform ähnlich der der Fig. 2 beide Nuten der hydro- statischen Lager im Dichtring 219 vorzusehen und auf die Druckwasserleitung 222 zu verzichten,
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quasi ein Gegenstück zur Variante des mitrotierenden Dichtringes 319, 419, 519 zu schaffen. Die Sicherung des Dichtringes 219 gegen das Mitdrehen mit dem Laufradboden 211 kann auf ver- schiedene Weise erfolgen, entweder durch Schulter und Gegenschulter oder auch durch eine entsprechend flexible und symmetrische Aufhängung des Dichtringes am Turbinendeckel 212, die bevorzugt in einer Normalebene zur Turbinenachse 107 (Fig. 1) liegt, um keine nennenswerten Kräfte in axialer Richtung zu übertragen und um die axiale Bewegung des Dichtringes bezüglich der Ringleiste 223 nicht durch Reibung zu stören.
Es wurde die Erfindung anhand von Beispielen erörtert, die sich auf die wichtigste Dichtung im Bereich von Francisturbinen bezogen, doch ist es für den Fachmann klar, dass die Erfindung auch bei den anderen Dichtungsstellen der Francisturbinen und selbstverständlich auch bei allen ande- ren hydraulischen Turbomaschinen, seien es nun Pumpen oder Turbinen, bei allen Spalten zwi- schen deren Gehäuse und deren Laufrad vorteilhaft angewandt werden kann.
Es wird in der ganzen Beschreibung und den Ansprüchen von "Druckwasser" bzw. "Lagerwas- ser" gesprochen, selbstverständlich kann bei speziellen Anwendungsgebieten (Z. Bsp. Pumpen in der Lebensmitteltechnik) statt Wasser eine andere Flüssigkeit verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen. Schliesslich sind Anwendungsgebiete, insbesondere abseits der Fran- cisturbinen, denkbar, in denen die hydrostatischen Lager ohne Nuten ausgebildet sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Abdichtung des Laufrades (203,303, 403) von hydraulischen Turbomaschinen (101) ge- genüber dem Turbinengehäuse (202,302, 402, ) mittels einer Dichtung im Bereich des
Spaltes (109, 110), dadurch gekennzeichnet, dass im peripheren Bereich des Laufrades (203, 303, 403) ein fliegender Dichtring (219, 319, 419, 519) angeordnet ist, der sowohl gegenüber dem Laufrad (203, 303, 403) als auch gegenüber dem Turbinengehäuse (202,
302,402) mittels jeweils zumindest eines hydrostatischen Lagers gelagert ist, dass jedes der hydrostatischen Lager aus einander zugewandten Lagerflächen besteht, dass bevor- zugt in zumindest eine der Lagerflächen eine Nut eingearbeitet ist, und dass in eine der
Lagerflächen Druckwasserleitungen münden, die mit einer Druckwasserversorgung in
Verbindung stehen.