CH646763A5

CH646763A5 - Wellendichtung fuer hydraulische maschinen.

Info

Publication number: CH646763A5
Application number: CH412380A
Authority: CH
Inventors: Takuya Kako
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co
Priority date: 1979-05-31
Filing date: 1980-05-28
Publication date: 1984-12-14
Also published as: US4408767A; JPS6125913B2; JPS55160172A; DE3019874C2; DE3019874A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung für eine hydraulische Maschine, insbesondere eine Wellendichtung zur Verhinderung des Austretens von Wasser entlang der Welle einer hydraulischen Maschine, wie z. B. einer hydraulischen Turbine oder einer Pumpe.

Eine Packung enthaltende Wellendichtung ist zwischen einem festen Bauteil und einer um ihre Achse rotierenden oder in Längsrichtung hin- und herbewegten Welle angeordnet, um einen Spalt zwischen den beiden Elementen abzudichten und das Austreten von Wasser oder einem ähnlichen Medium aus dem Raum zu verhindern.

Obgleich in der oben beschriebenen Anwendung ein radial einwärts auf die Aussenfläche jeder Packung ausgeübten Druck wesentlich ist, um die Wellendichtwirkung sicherzustellen, führt die Anwendung eines übermässig starken Druckes auf jeder Packung zu einer Beschränkung der Wellenbewegung. Ausserdem wird die Abnutzung der Packungen und der Wellenoberfläche beschleunigt, während im schlimmsten Falle eine Beschädigung der Welle hervorgerufen wird.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer üblichen Wellendichtung für eine hydraulische Maschine. Die Turbine enthält ein Spiralgehäuse 1, eine Welle 6 und einen an der Welle 6 befestigten Läufer 3, der in dem Gehäuse 1 drehbar ist. Das Druckwasser in dem Spiralgehäuse 1 durchsetzt eine Leitschaufel 2 in Richtung auf den Läufer 3, um diesen anzutreiben. Das ausgenutzte Druckwasser wird durch ein nicht gezeigtes Saugrohr in einen Abzugskanal abgegeben. Gleichzeitig fliesst ein Teil des Druckwassers aufwärts durch einen Spalt zwischen dem Läufer 3 und der Kopfabdeckung 4 der Turbine in einen durch die Aussenfläche der Welle

6 und die Kopfabdeckung 4 begrenzten Raum. Eine Wellendichtung 7 ist zwischen der Welle 6 und der Kopfabdeckung 4 vorgesehen, um das Ausfliessen von Wasser durch einen Spalt zwischen den beiden Elementen 6 und 4 zu verhindern.

Wie im einzelnen in Fig. 2 gezeigt, enthält die Wellendichtung

7 eine Stopfbüchse 9, die an der Kopfabdeckung 4 mit Hilfe von Bolzen 8 befestigt ist, Packungen 10a, 10b und 10c, die in der Stopfbüchse 9 entlang der Welle 6 vertikal übereinanderliegen, Halteringe 11 jeweils radial ausserhalb der Packung 10a, 10b und 10c und Ringbandfedern 12, die um den Aussenumfang der Halteringe 11 angeordnet sind, um die Halteringe 11 gegen die Welle 6 zu drängen.

Unter den oben beschriebenen Packungen 10a, 10b und 10c sind die beiden oberen Packungen 10aund 10b Kohlepackungen, die normalerweise Furan enthalten und die gesintert sind, während die untere Packung 10c eine Kunststoffpackung ist, die normalerweise aus Phenolharz besteht.

Jede der Packungen 10a, 10b und 10c ist in Umfangsrichtung in mehrere Packungsteile unterteilt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

Jeder Packungsteil besitzt einen Vorsprung 14 an einem Umfangsende und auch eine Ausnehmung 15 an dem anderen Umfangsende. Wenn die Packungsteile um die Welle 6 herum angeordnet sind, so dass die Innenflächen der Packungsteile eine Hülse 16 berühren, die fest auf der Welle 6 sitzt, ragt der Vorsprung 14 eines Packungsteiles in die Ausnehmung 15 des benachbarten Packungsteiles, wie es in der Zeichnung gezeigt ist, wobei zwischen gegenüberliegenden Endflächen ein Spalt g verbleibt.

Eine Frischwasserzuführung 17 ist in der Stopfbüchse 9 vorgesehen, welche einen Teil des Frischwassers zwischen den Packungen 10b und 10c hindurchführt. Eine Wasserzuführleitung 18 ist mit der Zuführung 17 verbunden, welche Frischwasser zu den Gleitflächen der Packungen 10a, 10b und 10c zuführt. Der Druck des Frischwassers ist so gewählt, dass er gleich dem Druck einer Kammer 20 ist, die zwischen einem Flansch 19 der Welle 6 und der Stopfbüchse 9 gebildet ist, oder dass er gleich einem Druck ist, der um 1 bis 2 kg/cm2 höher ist als der Druck in der Kammer 20.

Durch die Zuführung des frischen Druckwassers wird die Möglichkeit ausgeschaltet, dass Schlamm oder Sand aufwärts in die Dichtung und die Packungen eindringt, wodurch auch die Möglichkeit einer Überhitzung oder Abnutzung im wesentlichen ausgeschaltet werden kann.

Oberhalb der Stopfbüchse 9 ist eine Wasserspritzplatte 21 vorgesehen, welche das durch die Packungen eindringende Wasser von der Welle wegleitet und das Eindringen des Wassers in ein oberhalb der Wellendichtung 7 angeordnetes Lager 22 verhindert.

Es hat sich aber herausgestellt, dass in der oben beschriebenen üblichen Wellendichtung unter Verwendung von Kohlepackungen 10a und 10b und einer Kunststoffpackung 10c die obere Grenze des Wellendichtungsdruckes der Kohlepackung 10a und 10b ungefähr bei 5 kg/cm2 liegt und dass der Wellendichtungsdruck der Kunststoffpackung 10c pro Stufe der Packung niedriger als 3 kg/cm2 liegt. Für eine hydraulische Hochdruckturbine ist deshalb eine grosse Anzahl von Packungsstufen erforderlich, was zu einer Vergrösserung eines Abstandes L zwischen dem Zentrum des Läufers 3 und dem Zentrum des Lagers 22 führt, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Diese Vergrösserung des Abstandes L vergrössert die Ausladung der Welle, die nach abwärts über das Lager 22 hinaus vorspringt, wodurch die Grösse der Wellendurchbiegung vergrössert wird und die Arbeitsweise der Turbine unstabil wird.

Ausserdem zerbricht die bekannte Kohlepackung leicht infolge ihrer Brüchigkeit, und sie neigt dazu, durch Schlamm und Sand abgenutzt zu werden, die in die Wellendichtung eindringen.

2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Eine Vergrösserung des Widerstandsmomentes der Kohlenpak-kung zur Verfestigung der Packung vergrössert aber die Abmessung der Packungen, wodurch auch der Abstand L zwischen dem Läufer und dem Lager vergrössert wird.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Wellendichtungfür eine hydraulische Maschine, bei welcher der Wellendichtungsdruck jeder Packung wesentlich erhöht ist und die Wellendichtungsfähigkeit lange Zeit aufrechterhalten werden kann, während die Zahl der Packungen verringert ist.

Durch die Erfindung wird auch eine Wellendichtung für eine hydraulische Maschine geschaffen, deren Packungen weder leicht brechen noch durch Schlamm oder Sand, der in die Wellendichtung eindringt, zerbrochen oder abgenutzt wird.

Durch die Erfindung wird auch eine Wellendichtung für eine hydraulische Maschine geschaffen, bei welcher Frischwasser eingeführt wird, um die Welle gegen das Eindringen von Druckluft abzudichten.

Diese und weitere Ziele der Erfindung werden erreicht durch eine Wellendichtung für eine hydraulische Maschine mit einer eine Welle der Maschine umgebenden, mehrere Packungen enthaltenden Stopfbüchse, wobei die Gleitflächen der Packungen gegen die Welle gedrängt werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jede Packung aus einem mit einem Füllstoff gemischten Tetrafluoräthylen-Harz hergestellt ist, der unter Druck in einer Pressform in die erforderliche Form gebracht ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jede Packung aus 40 bis 90 Gew.-% Tetrafluoräthylen-Harz und Rest Füllmaterial hergestellt, wobei das Füllmaterial aus Kohlepulver, Graphitpulver, Kohlefasern, Glasfasern oder Bronzepulver oder Kombinationen dieser Stoffe bestehen kann.

Gemäss einer anderen Ausführung der Erfindung ist eine Wasserzuführung zur Zuführung von Wasser zu den die Welle berührenden Gleitflächen der Packungen vorgesehen.

In noch einer anderen Ausführung der Erfindung ist jede Packung in Umfangsrichtung in mehrere Packungsteile unterteilt, die durch Nut und Feder so miteinander verbunden sind, dass zwischen benachbarten Packungsteilen ein Spalt verbleibt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Teiles einer üblichen hydraulischen Turbine in einem Längsschnitt;

Fig. 2 eine Einzelheit der bekannten Wellendichtung nach Fig. 1, ebenfalls in einem Längsschnitt;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer in mehrere Packungsteile unterteilten Packung in vergrössertem Massstab;

Fig. 4 eine Darstellung einer Anordnung der üblichen Packung in stark vergrössertem Massstab;

Fig. 5 eine Ansicht einer Wellendichtung gemäss der Erfindung in einem Längsschnitt;

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Leckdruckcharakteristiken einer üblichen Packung und einer erfindungsgemässen Pak-kung;

Fig. 7 eine Ansicht einer anderen Ausführung der Erfindung in einem Längsschnitt;

Fig. 8,10 und 12 jeweils perspektivische Ansichten verschiedener Abwandlungen der Packung, und

Fig. 9,11 und 13 Ansichten der Anordnungen dieser Abwandlungen in einem Längsschnitt.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem Teile, die mit denjenigen nach der Fig. 1 gleich sind, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.

Eine Wellendichtung ist in Fig. 5 allgemein mit 30 bezeichnet. Sie enthält eine Stopfbüchse 31 mit zwei Stufen, die zwischen einer Kopfabdeckung 4 und einer Welle 6 einer hydraulischen Turbine (oder einer umkehrbaren Pumpenturbine) angeordnet sind. In der zweistufigen Stopfbüchse 31 sind Packungen 32 enthalten. Ein Haltering 11 ist radial ausserhalb jeder Packung 32

646 763

vorgesehen. Eine sich um den Haltering 11 herum erstreckende Ringfeder 12 drängt den Haltering 11 und die Packung 32 gegen die Welle 6.

Gemäss der Erfindung besteht die Packung 32 vorzugsweise aus 40 bis 90 Gew.-% Tetrafluoräthylen-Harz, das mit dem verbleibenden Prozentsatz an Füllmaterial gemischt ist, wobei das Füllmaterial aus Kohlepulver, Graphitpulver, Kohlefasern, Glasfasern, Bronzepulver oder dergleichen und Kombinationen dieser Stoffe bestehen kann. Wenn es erforderlich ist, kann der oben beschriebenen Mischung eine Spur eines Schmiermittels, wie z. B. Molybdändisulfid, zugesetzt werden. Die sich ergebende Mischung wird dann unter Druck geformt, und sie wird in Packungsstücke von einer Form zurechtgeschnitten und geformt, wie sie z. B. in Fig. 3 gezeigt sind. Jede Packung und jeder Haltering 11 in der Stopfbüchse 31 werden durch die Ringbandfeder 12 in Richtung auf eine Hülse 16 gedrängt, die fest auf der Welle 6 sitzt. Wegen der schrägen Kontaktflächen zwischen dem Haltering 11 und der Packung 32 wird die Packung 32 weiter gegen die obere Wand der Stopfbüchse 31 gedrängt.

Da die Packung 32, die aus einer Mischung aus Tetrafluoräthylen mit Füllmaterial besteht und die, wie oben beschrieben, durch Druck geformt ist, eine hohe Affinität zu Wasser besitzt, kann zwischen der die Welle 6 umgebenden Hülse 16 und der Gleitfläche der Packung 32 ein Wasserfilm aufrechterhalten werden. Infolgedessen rotiert die Welle 6 unter einer Wasserschmierungsbedingung, und es wird das Leckwasser entlang der Gleitfläche der Packung begrenzt, und zwar unabhängig von der Anwendung eines verhältnismässig hohen Wasserdruckes.

Da ferner die Packung der Wellendichtung nach der Erfindung aus einer Mischung aus Tetrafluoräthylen-Harz mit Füllmaterial besteht, kann die Packung einem hohen Wellendichtungsdruck (eine Druckdifferenz über einer Packung) von mehr als 15 kg/cm2 pro Packungsstufe widerstehen, während ein hoher Abnutzungswiderstand aufrechterhalten wird.

Ausserdem ist infolge eines niedrigen Zug-Elastizitätsmoduls des Packungsmaterials (im Bereich von 1,3 x 104 bis 2,0 x 104 kg/cm2) die Packung schwer zerbrechlich, weshalb das Widerstandsmoment der Packung wesentlich verringert werden kann.

Aus diesem Grunde kann nichtnur die Grösse jeder Packung, sondern auch die Anzahl der Packungen und auch die Grösse der Stopfbüchse verringert werden, wodurch die Grösse der gesamten Wellendichtung verringert wird.

Im einzelnen kann eine übliche Packung mit einer axialen Höhe von 50 bis 60 mm durch eine erfindungsgemässe Packung ersetzt werden, die eine axiale Höhe von etwa 25 mm hat. Die Grössenverringerung der Wellendichtung wiederum verringert den Abstand L (siehe Fig. 1) zwischen dem Zentrum des Läufers 3 und dem Zentrum des Lagers 22. Somit wird die vorspringende Länge der Welle wesentlich verringert, wodurch die Arbeitsweise der Turbine stabilisiert und der Unterhalt der Turbine vereinfacht wird.

Während der Druck P, der radial einwärts auf die Aussenfläche der Packung aufgebracht wurde, verändert wurde, wurde die Grösse Q des Leckwassers und die Grösse der Abnutzung für eine erfindungsgemässe Packung und eine Packung üblicher Konstruktion (aus Kohle) gemessen. Die erfindungsgemässe Packung bestand aus Tetrafluoräthylen-Harz, und zwar aus einer Mischung von 70 Gew.-% Tetrafluoräthylen mit etwa 30 Gew.-% Kohlepulver. Die Mischung wurde durch Pressen geformt, und zwar zu einem Gebilde mit einer axialen Höhe von 25 mm und einem solchen Innendurchmesser, dass die Packung mit einer Wellenhülse von 200 mm Aussendurchmesser einen Gleitkontakt hatte.

Aus der oben beschriebenen Messung wurde ermittelt, dass die Leckwassermenge Q durch die Packung gemäss der Erfindung in einem Bereich von Vi bis / derjenigen einer üblichen Packung lag und dass auch die Abnutzung der erfindungsgemässen Packung auf V^ einer üblichen Packung verringert war.

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

646 763

Es wurde auch festgestellt, dass der maximale Wellendichtungsdruck pro Packungsstufe grösser als 15 kg/cm2 war und dass die maximale Umfangsgeschwindigkeit der Welle grösser als 40 m/sec war. Die Kurve A in Fig. 6 zeigt die Messergebnisse der Leckwassermenge Q für die erfindungsgemässe Packung, während die Kurve B die Leckwassermenge Q der üblichen Packung gegen einen Druck P, der radial einwärts auf die Aussenfläche der Packung aufgebracht war.

Die erfindungsgemässe Packung hat eine verhältnismässig hohe thermische Leitfähigkeit, wodurch der Temperaturanstieg durch Reibung verringert war und das Auftreten von Reibungsabnutzung und Korrosion an der Gleitfläche der Packung verhindert wurde.

Ausserdem ist die erfindungsgemässe Packung verhältnismässig weich (in einem Bereich vonD65 bis D68, gemessen mit einem Härteprüfgerät), weshalb eine Frischwasser-Zuführvorrichtung 17 und 18, wie sie in Fig. 2 für den Schutz der Gleitflächen der Wellenhülse und der Packung vor Abnutzung durch Schlamm oder Sand enthaltendes Wasser nicht erforderlich war. Es können also die Frischwasserzuführung 17,18 und auch die Kunststoffpackung 10c für den Schutz der Kohlepackungen 10a und 10b, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, vollständig weggelassen werden, wodurch die Konstruktion der Wellendichtung vereinfacht ist.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, in welcher Elemente und Teile, die denjenigen nach Fig. 5 gleich oder ähnlich sind, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, weshalb eine Wiederholung der Beschreibung überflüssig ist.

In diesem Ausführungsbeispiel ist durch einen Teil zwischen der Stopfbüchse 31 und der Druckkammer 20 eine Wasserzuführung 33 vorgesehen. Mit der Zuführung 33 ist eine Wasserzuführleitung 34 verbunden, so dass Wasser W der Umfangsfläche der Wellenhülse 16 zugeführt werden kann. Wenn der Läufer der umkehrbaren Pumpenturbine bei Beginn der Aufpumparbeitsweise oder während des Antriebes der Turbine in einer Kondensatorarbeitsweise, in Druckluft umläuft, wird das so zugeführte Wasser W dafür verwendet, ein Austritt von Druckluft durch die Wellendichtung zu verhindern. Zu diesem Zweck muss das Wasser W nicht notwendigerweise Frischwasser sein, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Die Fig. 8 bis 13 zeigen verschiedene Abwandlungen der erfindungsgemässen Packung, in denen Elemente und Teile, die denjenigen nach Fig. 5 gleich oder ähnlich sind, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.

Um die Abnutzungsfestigkeit der Packung zu verbessern und die Lebensdauer der Packung zu erhöhen, ist in der Gleitfläche einer Packung 32 aus einem Material, das demjenigen nach Fig. 5 ähnlich ist, eine Wasserdurchführung verschiedener Konstruktion vorgesehen, so dass das Wasser in dem Turbinengehäuse, das unter einem Druck Pj steht, durch den Wasserdurchlass der Gleitfläche der Packung zugeführt wird.

Im einzelnen ist eine Packung 32 in eine Anzahl Packungsteile unterteilt, wie es in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist. Jedes Packungsteil ist mit mehreren Löchern 35 versehen, die durch die Gleitfläche an einem Zwischenteil gebohrt sind. Ferner stehen eine erforderliche Anzahl von Durchgangslöchern 36, die durch den Packungsteil gebohrt sind, mit den Löchern 35 in Verbindung und verbinden diese mit der Druckkammer 20 (siehe Fig. 1 und 2). Durch diese Löcher wird Wasser in der Kammer 20, das unter einem Druck p! steht, auf die Gleitfläche der Packung gebracht, wodurch der Kühleffekt verbessert und ein stabiler Wasserfilm zwischen den Gleitflächen gebildet wird, während die Abnutzung der Packungen verringert und die Lebensdauer der Packungen erhöht wird, wenn die von aussen auf die Packungen aufgebrachten Druckkräfte in geeigneter Weise verringert werden.

In einem weiteren Beispiel der Packung nach den Fig. 10 und 11 ist in der Gleitfläche jedes Packungsteiles in dessen Mittelteil eine rechteckförmige Nut 37 vorgesehen. Ferner ist ein Durchgangsloch 38 vorgesehen, welches die rechteckförmige Nut 37 mit der Druckkammer 20 verbindet, so dass Druckwasser mit einem Druck Pj aus der Kammer 20 der Nut 37 zugeführt wird. Diese Ausführung einer Packung weist einen Vorteil auf, der im wesentlichen gleich dem Vorteil nach dem Beispiel nach den Fig. 8 und 9 ist.

Noch eine weitere Ausführung ist in der Fig. 12 und 13 gezeigt. Diese Ausführung ist mit einem Ausschnitt 39 entlang einer Hochdruck-Seitenkante der Gleitfläche jedes Packungsteiles versehen. Ferner ist eine Zuführung von Druckwasser in den Ausschnitt 39 vorgesehen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich eine vorteilhafte Wirkimg ähnlich derjenigen nach dem Beispiel, wie es in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist.

Obgleich die vorliegende Erfindung in bezug auf eine mehrstufige Wellendichtung für eine hydraulische Turbine oder Pumpe beschrieben ist, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung auch auf eine Wellendichtung einer einzigen Stufe anwendbar ist, beispielsweise für eine hydraulische Maschine.

4

5

10

15

20

25

30

35

40

M

4 Blatt Zeichnungen

Claims

646 763

PATENTANSPRÜCHE

1. Wellendichtung für eine hydraulische Maschine mit einer eine Welle der Maschine umgebenden, mehrere Packungen enthaltenden Stopfbüchse, wobei die Gleitflächen der Packungen gegen die Welle gedrängt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Packung (32) aus einem mit einem Füllstoff gemischten

Tetrafluoräthylen-Harz hergestellt ist, der unter Druck in einer Pressform in die erforderliche Form gebracht ist.
2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dass jede Packung (32) aus 40 bis 90 Gew.-% Tetrafluoräthylen-Harz und Rest Füllmaterial hergestellt ist.
3. Wellendichtung nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial aus Kohlepulver, Graphitpulver, Kohlefasern, Glasfasern oder Bronzepulver oder Kombinationen dieser Stoffe besteht.
4. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserzuführung (33) zur Zuführung von Wasser zu den die Welle (6) berührenden Gleitflächen der Packungen (32) vorgesehen ist.
5. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Packung (32) in Umfangsrichtungin mehrere Pakkungsteile unterteilt ist, die durch Nut und Feder so miteinander verbunden sind, dass zwischen benachbarten Packungsteilen ein Spalt verbleibt.
6. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Packung mit mehreren die Gleitfläche durchsetzenden Löchern (35) versehen ist und dass in der Packung Durchlässe

(36) zur Zuführung von Druckwasser zu den Löchern (35) vorgesehen sind.
7. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Packung (32) in der Gleitfläche mit mehreren recht-eckförmigen Nuten (37) versehen ist und dass in der Packung Durchlässe (38) zur Zuführung von Druckwasser zu den Nuten

(37) vorgesehen sind.
8. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Packung entlang der Hochdruck-Seitenkante ihrer Gleitfläche mit einem Ausschnitt (39) versehen ist.