DE1551223A1

DE1551223A1 - Spaltabdichtung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Teil von Stroemungsmaschinen,insbesondere von Wasserturbinen und Kreiselpumpen

Info

Publication number: DE1551223A1
Application number: DE19661551223
Authority: DE
Inventors: Strscheletzki Dr-Ing Michael
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1966-06-21
Filing date: 1966-06-21
Publication date: 1970-02-12
Also published as: ES342002A1; AT282502B; GB1161159A; CH464699A

Description

aj/A 2732 J.M. Voith GmbH

Kennworts ^irKammer-Spalt« Heidenheim (Brenz)

Spaltabdichtung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Teil von«Strömungsmaschinen, insbes. von Wasserturbinen und Kreiselpumpen

Die Erfindung betrifft eine Spaltabdichtung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Teil von Strömungsmaschinen, insbee. von Wasserturbinen und Kreiselpumpen. Durch diese Abdichtung wird die sogenannte Spaltströmung sswischen diesen Teilen, welche einen Verlust darstellt, gedrosselt und damit die Durchflußmenge des Arbeitsmittels durch di? Spalte vermindert.

Es ist bekannt, diese Brosseiwirkung durch möglichst enge und lange, eventuell gestuft ©der labyrinthartig ausgebildet®, meist zylindrische Spalte zu erzielen. In diese Spalten können noch ringförmige Nuten eingeschaltet sein, welche Sie Spaltströmung zur Wirbelbildung und damit'Verringerung ihrer mittleren Geschwindigkeit zwingen und dadurch örtlich den ^paltwiderstand erhöhen (siehe Pfleiderer "Die Kreiselpumpen» 1932, Seiten 222 bis 224, ÜS-Patentsohriften 3 180 613 und 3 220 696).

Sie Art der Abdichtung mit langen und engen Spalten ist gegen Verschmutzung sehr empfindlich,, weil von dar Arbeiteströmung mitgeführte kleine Fremdkörper«, β·Β· Sand, eine unter Umständen sehr rasche Abnutzung der Spaltwinde hervorrufen. Dadurch werden die Spalte weiter und damit vergrößern sich auch die Spaltverluste. Außerdem sind derartige lange Spalte teuer in der Herstellung und können bei der Montage zu Schwierigkeiten führen. Wenn in den Spalten ringförmige Nuten swir hengeschaltet sind, so erhält man zwar kürzere Spalte. Dies© sind aber auch gegen Verschmutzung empfindlich, weil sich die kleinen Fremdkörper insbesondere in den Ecken der Wirbelkammern ablagern, die Kammern zusetzen und gegebenenfalls jeweils nach Erreichen einer bestimmten Menge aufgewirbelt werden und dadurch periodisch in größeren Mengen durch, die engen Spalte getrieben werden.

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Hierdurch nutzen sich die SpaitwKnde ebenfalls sehr rasch ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde« eine Spaltabdichtung zwischen einem rotierenden und einen feststehenden Teil von Strömungsmaschinen, insbes. von Wasserturbinen und Kreiselpumpen, mit mindestens einer ringförmigen Kammer zwlsohen swei auf verschiedenen Durohmesser und in axialem Abstand voneinander angeordneten, hintereinander durchströmten Spalten zu schaffen, welche eine gute Drosselwirkung und damit geringe Spaltverluste ergibt und welche die aufgezeigten Nachteile, wie Empfindlichkeit gegen im Arbeitsmittel mitgefUhrte Fremdkörper oder stoßweise, d.h. periodische Entleerung der Kammern von derartigen Fremdkörpern, und dadurch bedingte rasche Abnutzung der SpaltwHnde nicht aufweist. Die Erfindung löst das Problem dadurch, daß die die Wandungen der beiden Spalte im feststehenden oder rotierenden Teil verbindende Kammerwandung anschließend an die Wandung des Spaltes mit dem höheren Druck über eine Ausrundung um angenähert 90° an die Wandung des anderen Spaltes anschließt und da8 die die Spaltwandungen im Jeweils anderen Teil verbindende Kammerwandung etwa rechtwinklig an die Wandung des Spaltes niederen Druckes anschließend unter Hinterschneidung der in die Kammer verlängerten Rotationsfläche dieser Spaltwandung über etwa 130° ausgerundet ist.

Bei einer derartigen erfindungsgemäß ausgebildeten Spaltabdichtung erfolgt die Drosselung der Spaltströmung hauptsächlich in der oder in den ringförmigen Kammern, in welchen der jeweilige Eintritt in den Spalt niederen Druckes durch den etwa senkrecht zu den Spaltwänden vor deren Eintrittsöffnung strömenden umgelenkten Strahl des Betriebsmittels praktisch versperrt wird. Dieser sogenannte Querstrahl wird in dem in die jeweilige Kammer führenden Spalt höheren Druckes erzeugt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Einführung eines QuerStrahles in eine in einem Kanal geführte Hauptströmung deren Widerstand in diesem Kanal erhöht. Dieser Vorgang wird teils durch die Ablenkung des Querstrahls durch die Hauptströnung und teils durch die intensive Vermischung der Hauptströmung mit dem Querstrahl bedingt.

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Dabei weist vorzugsweise die um 90° ausgerundete Kanmerwandung zwischen den ausgerundeten Wandungsstück und den Spalt niederen Druckes ein gerades» in wesentlichen senkrecht zu diesen Spalt verlaufendes Stück auf. Durch Versuche wurde ferner ermittelt, daß die um 180° ausgerundete Kammerwandung am zweckmäßigsten in wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet ist und der Mittelpunkt dieses Halbkreises in Bereich zwischen den gedachten Verlängerungen der beiden Wände des Spaltes niederen Druckes liegt. Durch die erflndungsgemäfie Ausbildung der Kammerwände wird die erforderliche Umlenkung des Strahles in eine walzenförmige Bewegung erzwungen. Dabei nlmnt die Strahlbreite auf dta Meg zwischen der Einmündung in die Kammer aus den Spalt höheren Druckes und den Eintritt in den Spalt niederen Druckes» d.h. den Austritt aus der Kammer, relativ schnell zu und die mittlere Geschwindigkeit der Strahlströmung entsprechend ab, so daß diese Strömung in der Mitte der Kammer, d.h. nach einer Umlenkung des Eintrittsstrahles um etwa 260°, eine verhältnismäßig geringe Geschwindigkeit der stark verwirbelten Bewegung aufweist.

Da die Drosselung hauptsächlich in der oder den Xaanern und nicht in den engen Spalt»« erfolgt^ tstfimttn dl· engen Spalte wesentlich kürzer sein als fe&i S@n k<s&7eiifei©&»2jL«B Spaltabdichtungen· Dies ist sowohl aus hydraulieötei «FfeS«!» afees» such «iß Clründen einer -einfacheren und billigeren Herstellung ma ffan^&g· ©nffS&seht· Jeder Spalt sollte zwar eine Länge haben, dl® wenigstens gleich des Durchmesser der tun 180° altsgerundeten Kannerwandiing ist, jedoch sollte die Länge des Spaltes höchsten Spaltdruckes naxinal das Zweifache des Durchmessers der um I8o° ausgerundeten Kannerwandung betragen und die des geringsten 3paltdruckes nicht mehr als das Dreieinhalbfache dieses Durchmessers. Jm Falle mehrerer ringförmiger Kannern sollte die Länge des Spaltes zwischen zwei Kannern das Zweieinhalbfache des Durchmessers der um 180° ausgerundeten Xauerwandung nicht überschreiten. Da die Strahlunlenkung in den Kaaeern an besten möglichst allmählich erfolgt, muß die Vandkrünnung klein sein. Als vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn der Krümmungsradius der um 90° ausgerundeten Kanraerwandung etwa doppelt so groß wie der Krünmungsradius der um 180° ausgerundeten Kammerwandung ist.

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Die au!' Grund der scharfen Ecken in den Spalten oder Nuten der bekannten Spaltabdichtungen mit labyrinthartigen DrosGelotrocken nachteilige Ablagerung von Fremdkörpern in diesen Ecken, die dann periodisch stoßweise durch den Spalt abgeführt v/erden, wenn jeweils eine bestimmte Ablagerungamenge erreicht ist, entfällt bei der Ausbildung des Spaltes nach vorliegender Erfindung völlig. Bei dieser erfolgt eine kontinuierliche Abfuhr derartiger Fremdkörper, wodurch die Abnutzung der Spalte wesentlich vermindert wird. Aber selbst eine Erweiterung der Spalte infolge einer eventuellen Abnutzung der Spaltwände führt zu keiner wesentlichen Erhöhung des [jpaltVerlustes, weil sich bei einer Vergrößerung der Spaltweite der Spaltstrahl verstärkt, der dadurch eine stärkere Drosselwirkung in der Kammer vor dem Eintritt in den Spalt niederen Druckes bewirkt. Die erfindungeinäßigen Abdichtungen sind also gegen Verschmutzung weniger empfindlich und haben demzufolge eine längere Lebensdauer als die Spaltdichtungen konventioneller Bauart.

Aus Montagegründen sind zweckmäßigerweise die an den Wänden des Spaltes niederen Druckes etwa rechtwinklig ansetzenden Kammerwandungen im feststehenden und im rotierenden Teil im Sinne einen Vornichens des festen Teiles in die Kammer zueinander geringfügig verseetzt angeordnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand der Zeichnungen im folgenden näher erläutert,

Fig. 1 zeigt im Schnitt eine Spaltabdichtung

zwischen dem Laufradkranz einer Francisturbine und den diesen umgebenden Gehäuseteil, und

Fig. 2 im Schnitt vergrößert einen Ausschnitt aus Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist zwischen dem Laufradkranz 3 eines um die Achse 4 rotierenden und in Richtung des Pfeiles 5 durchströmten Turbinenlaufrades und dem feststehenden Gehäuse 6 eine aus drei zylindrischen Spalten 7a, 7b und 7c mit dazwischen angeordneten Kammern 8a und 8b bestehende Spaltabdichtung ausgebildet. Bezüglich der Kammer 8a ist dor Spalt 7a der Spalt höheren Druckee und der Spalt 7b der Spalt niederen Druckes, während bezüglich der Kammer 8b der Spalt 7b der

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Spalt höheren Druckes und der Spalt 7 c der Spalt niederen Druckes ist

Die im feststehenden Teil 6 die Wand 9 des Spaltes höheren Druckes 7a mit der Wand 10 des Spaltes 7b niederen Druckes verbindende Kammerwandung 11 schließt sich tangential an die Wand 9 an und geht ausgerundet in eine zum Spalt senkrechte Richtung in ein kurzes gerades Stück 12 unmittelbar vor dem Spalt 7b über, während die die Spaltwandungen im Laufrad 3 verbindende Kammerwandung etwa rechtwinklig anschließend an die Spaltwandung 14 im Spalt niederen Druckes 7b und unter Hinterschneidung der in die Kammer verlängerten Rotationsfläche der Wandung 14 über 180 halbkreisförmig ausgerundet ist, um dann rechtwinklig an die Spaltwandung 15 des Spaltes 7a höheren Druckes anzuschließen. Der Radius der Ausrundung ist etwa halb so groß wie der Radius der Ausrundung der Wand 11 im feststehenden Teil 6 und der Mittelpunkt der Ausrundung liegt auf der Verlängerung der Spaltwandung 14. Ein aus dem Spalt 7a in die Kammer 8a bei 16 eintretender Wasserstrahl wird an der ausgerundeten Wandung 11 in eine zu dem Spalt senkrechte Richtung umgelenkt und versperrt dadurch den Eintritt 17 in den Spalt 7b. Wie durch die Pfeile 18 angedeutet, wird der Wasserstrahl durch die halbkreisförmig ausgerundete Wand 13 in eine stark verwirbelte walzenförmige Bewegung versetzt. Dabei nimmt die Strahlbreite auf dem Weg zwischen dem Eintritt 16 in die Kammer 8a und dem Eintritt 17 in den Spalt 7b ziemlich schnell zu und die mittlere Geschwindigkeit der Strahlströmung entsprechend ab. Die an den Wänden des Spaltes niederen Druckes 7b etwa rechtwinklig angesetzten Kammerwandungen 12 und 13 sind zueinander um die klaine Strecke s versetzt angeordnet, und zwar steht die Wand 12 des feststehenden Teiles 6 in die Kammer vor. Die Kammer 8b (Pig.l ) ist identisch zu der Kammer 8aausgebildet. Anstatt der in Pig. 1 dargestellten lage der Rotationsachse 4 kann diese auch senkrecht hierzu verlaufen, etwa wie es durch die strichpunktierte Gerade 19 angedeutet ist» In diesem Falle wurden die Wände der Spalte 7a, 7b und 7c nicht zylindrisch sein, sondern Kreisringebenen darstellen.

Heidenheim (Brenz), den 14.6.1966 B^{AD 0RlGlN}

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Claims

ap/A 2732 j.M. Voith GmbH. £ Heidenheim (Brenz) Patentansprüche 1551223

1) Spaltabdichtung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Teil von Strömungsmaschinen, insbesondere von Wasserturbinen und Kreiselpumpen, mit mindestens einer ringförmigen Kammer zwischen zwei auf verschiedenem Durchmesser und in axialem Abstand voneinander angeordneten, hintereinander durchströmten Spalten, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wandungen (9,10) der beiden Spalte im feststehenden (6) oder rotierenden (3) Teil verbindende Kammerwandung (11) anschließend an die Wandung (9) des Spaltes (7a) mit dem höheren Druck Über eine Ausrundung um angenähert 90⁰ an die Wandung des anderen Spaltes (10) anschließt und daß die die Spaltwandungen (15,14) im Jeweils anderen Teil verbindende Kamraerwandung (I3) etwa rechtwinklig an die Wandung (14) des Spaltes (7b) niederen Druckes anschließend unter Hinterschneidung der in die Kammer verlängerten Rotationsfläche dieser 3paltwandung über etwa 100° ausgerundet ist.

2) Spaltabdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die um 90° ausgerundete Kammerwandung (11) zwischen dem ausgerundeten Wandungsstück und dem Spalt (7b) niederen Druckes ein gerades, im wesentlichen senkrecht zu diesem Spalt verlaufendes Stück (12) aufweist.

3) Spaltabdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die um 18O° ausgerundete Kammerwandung (I3) im wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet ist und der Mittelpunkt dieses Halb' kreises im Bereich zwischen den gedachten Verlängerungen der beiden Wände (10,14) des Spaltes (7b) niederen Druckes liegt.

4) Spaltabdichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Länge Jeden Spaltes (7a,7b,7c) wenigstens gleich dem Durchmesser der um l60° ausgerundeten Kammerwandung (1]5) 1st.

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5) Spaltabdichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Spaltes (7a) höchsten Spaltdruckes maximal das Zweifache des Durchmessers der um 18O^Q ausgerundeten Kammerwandung (13) beträgt.

6) Spaltabdichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Spaltes (7c) geringsten Spaltdruckes maximal das Dreieinhalbfache des Durchmessers der um 160° ausgerundeten Kammerwandung (I3) beträgt,

7) Spaltabdichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, mit mindestens zwei ringförmigen Kammern, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Spaltes (7b) zwischen zwei Kammern (8a, 8b) maximal das Zweieinhalbfache des Durchmessers der um 180° ausgerundeten Kammerwandung (I3) beträgt.

8) Spaltabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7j dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der um 90° ausgerundeten Kammerwandung (11) etwa doppelt so groß wie der Krümmungsradius der um 18O° ausgerundeten Kammerwandung (I3) ist.

9) Spaltabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Wänden (10,14) des Spaltes (7b) niederen Druckes etwa rechtwinklig ansetzenden Kammerwandungen (12,13) im feststehenden und im rotierenden Teil im Sinne eines Vorstehens des festen Teiles in die Kammer zueinander geringfügig versetzt angeordnet sind.

Heidenheim, den 12. Mai I969
JB/HKh

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