DE1750937A1

DE1750937A1 - Labyrinthdichtung an einer hydraulischen Kreiselmaschine,deren Laeufer zeitweise in Wasser und zeitweise in Luft umlaeuft

Info

Publication number: DE1750937A1
Application number: DE19681750937
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl-Ing Baumann
Original assignee: Escher Wyss GmbH
Current assignee: Sulzer Escher Wyss GmbH
Priority date: 1967-07-03
Filing date: 1968-06-20
Publication date: 1972-04-06
Also published as: NO123276B; GB1226772A; FR1570899A; CH467941A; AT288285B; IE32178L; IE32178B1; ES355708A1; US3516757A

Description

Bscher Wyee G.m.b.H., Raveneburg (Württemberg)

Labyrinthdichtung an einer hydraulischen Kreiselmaschine, deren Läufer zeitweise in Wasser und zeitweise in Luft umläuft.

Bei hydraulischen Kreiselmaschinen, deren Läufer zeitweise in Wasser und zeitweise in Luft umlaufen« beispielsweise bei Francisturbinen, Speicherpumpen oder Pumpenturbinen, war es bisher erforderlich, die vorhandenen Labyrinthdichtungen, die meistens sehr enge Spalte aufweisen, während des Betriebes in Luft zu kühlen» um so eine übermässige Erwärmung der ineinandergreifenden Teile zu vermeiden. Beim Betrieb in Wasser tritt diese Kühlung durch da3 Betriebswasser, welches die Spalte durchströmt, ohne weiteres ein, so das3 zusätzliche Maasnahmen nicht erforderlich sind.

Daβ einfachste und nächstliegende Verfahren zur Kühlung der Labyrinthdichtungen während des Betriebes in Luft, nämlich Wasser in die Labyrinthspalte einzuleiten, hat den Nachteil, dass hierbei erhebliche Energieverluste eintreten, die je nach der Spaltwedte und der eingeführten Waasermenge zwischen 1 und 2% der Nennleistung der hydraulischen Maschin«

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betragen können. Trotz dieser hohen Verluste war das Einleiten von Wasser bei den bisher.bekannten Ausführungaformen der Labyrinthdichtungen'jedoch unbedingt erforderlich, zumal befürchtet werden musste, dass der stehende und der rotierende Teil der Labyrinthe infolge praktisch nicht zu vermeidender Ausrichtungsfehler, ferner wegen des erforderlichen Lagerspielea, der möglichen Deformationen und Verlagerungen des Gehäuses usw. aneinander streifen und hierbei festfressen könnten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einer Labyrinthdichtung an einer hydraulischen Kreiselmaschine, deren Laufrad zeitweise in Wasser und zeitweise in Luft umläuft, Massnahmen zu treffen, die es ermöglichen, unter Verzicht auf zusätzliche Kühlung während des Umlaufens in Luft metallische Berührung zwischen den den Dichtungsspalt begrenzenden Teilen und übermässiges Erwärmen zu vermeiden.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die relative Lage der den Dichtungaspalt beidseitig begrenzenden Teile von einer für das Umlaufen des Läufers in Wasser bestimmten Lage, in der die Weite des Dichtüngsspaltea verhältnismäesig klein ist, bis zu einer für das Umlaufen des Läufers in Luft bestimmten Lage mit vergrösserteni Spalt veränderbar ist. Dies kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass das nicht umlaufende, den Dichtungsspalt

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begrenzende Teil im ütaschinengehäuse verschiebbar geführt und über Zwischenglieder, beispielsweise Verstellstangen oder dergl. mit einem oder mehreren Stellmotoren verbunden ist. Auf diese Weise ist es möglich, dieses Teil beim Umlaufen des Läufers in Wasser in Arbeitsstellung zu rücken und so den erforderlichen engen Dichtungsspalt zu bilden. Soll die Maschine in Luft betrieben werden, so wird das verstellbare Teil mit Hilfe der Stellmotoren soweit verschoben, bis eine hinreichende Erweiterung des Dichtungsspaltes eintritt. Zusätzlich kann durch geeignete Ausgestaltung des betreffenden Teiles, beispielsweise durch Anbringen von Anschlägen oder dergl. dafür gesorgt werden, dass die Teile nur soweit zusammenrücken können, dass die vorgesehene Arbeitsstellung eingehalten wird. Dabei ist es wegen des geringen Spaltspieles vorteilhaft, wenn das verschiebbare Teil in Arbeitsstellung stets die gleiche Lage einnimmt und im Maschinengehäuse bewegungslos festgehalten wird. Dies kann beispielsweise durch einen kegeligen Anschlag bewirkt werden, der den Verstellweg in Richtung Spalt-begrenzt. Die zur Betätigung de3 verschiebbaren Teiles der Labyrinthdichtung erforderlichen Stellmotore können in beliebiger und bekannter Weise ausgestaltet sein. So ist ej beispielsweise möglich, hydraulisch oder pneumatisch betätigte Stellmotore zu verwenden oder &uch einfache Hebelwerke oder

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elektromotorisch angetriebene Spindeln.

Beim Betrieb einer hydraulischen Kreieelmaschine mit der erfindungsgemässen Labyrinthdichtung kommt es wesentlich darauf an, dass der Dichtungsspalt während des Veränderns der relativen Lage der den Dichtungespalt beidseitig begrenzenden Teile bewässert wird. Die Wasserdurchflutung des Dichtungaspaltes und damit die eventuell notwendige Kühlung soll nur dann unterbrochen sein, wenn die den Dichtungaspalt beidseitig begrenzenden Teile relativ zueinander in einer Lage sind, bei welcher die Weite des Dichtungsspaltes gross genug ist, um ein Streifen dieser Teile aneinander mit Sicherheit zu vermeiden.

Mit der erfindungsgemässen Ausbildung der Labyrinthdichtung ist es möglich, die Leistungeverluate der hydraulischen Maschine während des Betriebes im entleerten Zustand, d.h. also beim Umlaufen des Läufers in Luft, wesentlich abzusenken. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die erwähnten Leistungeverluate hauptsächlich infolge der bisher erforderlichen Bewässerung der Spalte und der Laufradscheibenreibung eintritt. Bei Anwendung der erfindungsgemäaaen Konzeption verbleibt als Leistungsverluat - abgesehen von den Reibungsverlusten in den Lagern - lediglich die für die Ventilation der Luft benötigte Antriebsleistung.

Ausaer der Verminderung der Leistungsverluste bringt der

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erfindung3geiaä3se Aufbau der Labyrinthdichtung aber auch noch andere Vorteile mit eich. Pumpspeieheraätze üblicher Bauweise bestehen bekanntlich in der Hegel aus einer elektrischen Maschine, die als Generator und ala Motor betrieben werden kann, sowie aua einer Turbine und einer Speicherpumpe. Wärend dea Turbinenbetriebes, also während der Spitzenetroiaerzeugung, wird die Speicherpumpe in der Hegel abgekuppelt, weil die Leistungsverluste der in Luft mit bewässerten Labyrinthdichtungen mitlaufender. Speicherpumpe so hoch sind, dass die Wirtschaftlichkeit häufig in Frage gestellt ist. Ausserdeni sind Fälle bekannt, bei denen sinngemäß a aus dem gleichen Grunde während des Pumpbetriebes die Turbine abgekuppelt wird. Im Falle dea Blindleietungebetriebes (Phasenechieberbetrieb) wird ebenfalle zur Verminderung der Verluste die Speicherpumpe häufig abgekuppelt, wobei daa Laufrad der Turbine in Luft umläuft oder je nach Bauweise ebenfalls abgekuppelt wird. Der maschinelle und bauliche Aufwand aowie auch der Aufwand der für die Steuerung der Kupplungen erforderlich iat, ist erheblich. Abgejehea hiervon besteht aber auch noch die Notwendigkeit, jede der drei Maschinen des Fumpapeichereatzee mit zwei Lagern auszurüsten. Weiterhin ist es erforderlich, wenn sehr kurze Umatellzeiten zwischen den einzelnen Betriebsarten gewünscht werden, zwischen der elektrischen Masohine und

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der Speicherpumpe eine Anwurfturbine oder eine hydraulische Kupplung zum schnellen Hochfahren der Speicherpumpe einzubauen. Diese Einrichtungen, die Kupplungen, Anwurfturbinen, hydraulische Kupplungen und eine gewisse Anzahl von Lagern können entfallen, wenn die erfindungagemäase Konzeption angewandt wird. Damit kann ein Pumpspeichereatz auf drei Hauptmaschinen, nämlich die elektriache Maschine, die Turbine und die Speicherpumpe beschränkt werden, wobei unter Berücksichtigung rationellster Anordnung eine gemeinsame Welle und zwei Lager für drei Maschineneinheiten genügen. Als weitere Folge der Vereinfachung gegenüber der herkömmlichen Bauweise musa der wesentlich geringere Platzbedarf erwähnt werden, der entsprechend niedrigere Baukosten mit sich bringt.

Ein mit der erfindungsgemäss aufgebauten Labyrinthdichtung versehener Pumpspeichersatz gestattet weiterhin kürzere Umstellzeiten zwischen den einzelnen Betriebsarten, als die bei herkömmlicher Bauweise zu realisieren war. Dies ergibt sich aus folgendem:

Während des Turbinenbetriebea läuft die Speicherpumpe in Luft; während des Pumpbetriebes läuft die Turbine in Luft; die Betriebsuuetellung· vom Turbinenbetrieb zum Pumpbetrieb und umgekehrt kann lediglich durch das wechselseitige Füllen und Entleeren der betreffenden hydraulischen Maschine

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erfolgen.

Bei Phaaenachieberbetrieb werden beide hydraulischen Maachinen entleert. Die Speicherpumpe kann aus dem Stillstand in wassergefülltem Zustand oder in entleertem Zustand direkt durch Inbetriebsetzen der Turbine hochgefahren werden.

Im Falle der Pumpenturbine kann der Erfindungsgegenstand ebenfalls vorteilhaft angewandt werden. Da3 Hochfahren zum Pumpbetrieb wird in der Regel in bekannter Weise unter Zuhilfenahme eines getrennten starr gekuppelten Elektromotors bei entleerter Pumpenturbine vorgenommen, wobei das Laufrad in Luft rotiert. Die Grosse bzw. die Auslegung dea Hochfahrmotors hängt u.a. auch von dem Leistung3verlust dea in Luft rotierenden Laufradee ab. Mit der erfindungsgemässen Konzeption der Labyrinthdichtung lassen sich dieee Verluste wesentlicn reduzieren, aodasa der Hochfahrmotor für eine geringere Leistung ausgelegt werden kann. Dies ist speziell dann von Interesse, wenn für das Hochfahren in den Pumpbetrieb genügend Zeit zur Verfügung steht, wobei da3 aufzubringende Beschleunigungsmoment dea Motors verhältniamässig gering sein kann. Ausserdem können auch die Verluste während des Phasenschieberbetriebes, der bekannterweise bei entleerter Pumpenturbine stattfindet, stark vermindert werden.

In der Zeichnung sind Ausführungabeispiele der erfindungo-

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gelassen Labyrinthdichtung an einer hydraulischen Kreiselmaschine dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 einen se hektischen Längsschnitt durch die Kreiselmaschine im Bereiche der Labyrinthdichtungen, wobei sich die die Dichtungaspalte begrenzenden Teile in der für das Umlaufen des Läufers in Wasser bestimmten Lage befinden, und

Fig. 2 den gleichen Längeschnitt, wobei sich aber die die Dichtungespalte begrenzenden Teile in der für das Umlaufen des Läufers in Luft bestimmten Lage befinden.

Die in der Zeichnung nur teilweise dargestellte hydraulische Kreiselmaschine kann eine Francisturbine, eine Zentrifugalpumpe oder eine Pumpenturbine sein. Der Läufer 1 ist nabenseitig mit Hilfe einer kammartig ausgestalteten Labyrinthdichtung 2 und kranzseitig mit Hilfe einer treppenstufenartig ausgebildeten Labyrinthdichtung 3 gegen die feststehenden Teile 4, 5 bzw. 6, 7 des Gehäuses abgedichtet. Die kammartige Dichtung 2 weist nur auf der einen Seite der Kämme einen Dichtungaspalt 8 auf, während sich auf der anderen Seite ein grösaerer Spalt 8· befindet. Mit 9 ist der Dichtungsspalt der Labyrinthdichtung 3 bezeichnet.

Auf der Gehäuseseite sind die Dichtungsspalte 8 und 9 durch nicht umlaufende, axial verschiebbar in den Gehäuse-

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teilen 5 bzw. 7 geführte T^iIe 10 bzw. 11 begrenzt, die Über Zwischenglieder 12 je mit einem oder mehreren hydraulischen oder pneumatischen Stellmotoren 13 verbunden sind. mit 14 sind Dichtungen an den mit 16 bezeichneten Führungsflachen der Gehäuseteile 5 und 7 bezeichnet. Läuferseitig werden die Begrenzungen der Dichtungaspalte 8 und 9 unmittelbar durch entsprechende Teile 15 der Läufernabe bzw. des Läuferkranzes gebildet.

Jeder der Stellmotoren 13 besteht aus einem Gehäuse 17 und einem darin verschiebbaren« mit dem betreffenden Zwischenglied 12 fest verbundenen Kolben 18. Beiderseits des Kolbens 18 sind im Gehäuse 17 Räume 19 und 20 vorhanden, die durch Kanäle 21 bzw. 22 z.B. über nicht dargestellte Steuerventile mit einer Druckmittelquelle verbunden werden können. Die Teile 10 und 11 können mit Hilfe der Stelliuotoren 13 in axialer Richtung der Maschine zwischen zwei Endlagen verschoben werden, von denen die eine in Pig. 1 und die andere in Pig. 2 dargestellt ist.

Die Endlage gemäss Fig. 1 ist für den normalen Betrieb der Maschine bestimmt, bei welchem der Läufer 1 in Wasser umläuft. Die Weite der Dichtungsspalte 8 ind 9 ist dabei verhältnismässig klein. Um sicherzustellen, dass bei jeder der Dichtungen 2 und 3 die verschiebbaren Teile 10 bzw. 11 sowohl in axialer wie auch in radialer Richtung stets die

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gleiche Lage einnehmen, ist jedes dieser Teile mit einem zentrierenden Anschlag ausgerüstet., der mit einer Kegelfläche 24 versehen ist, die in der Lage nach Fig. 1 an einer entsprechenden Kegelfäche 23 des Gehäuseteils 4 bzw. 6 anliegt und so eine spielloae Verbindung mit dem Uaachinengehäuae sicherstellt.

Die Teile UO und 11 sind als Ringkolben ausgebildet und begrenzen in der Lage nach Fig. 1 mit dem Gehäuse 4, 5 bzw. 6, 7 je einen Ringraum 23t der über einen oder mehrere Kanäle 26 mit dem Druckwasserraum 27 der Maschine in Verbindung steht. Diese Massnahme bewirkt, dass die Teile 10 und 11 beim Betrieb mit Wasser in der Lage nach Fig. 1 selbsttätig .durch den Wasserdruck in den Ringräumen 25 an die Anschlagflachen 23 des Gehäuseβ angepresst werden. Die Stellmotoren müssen dann nur für die Erzeugung der Verschiebekräfte ausgelegt werden.

Für den Betrieb mit Umlaufen des Läufers 1 in Luft werden die Teile 10 und 11 mit Hilfe der Stellmotoren 13 in die in Fig. 2 gezeigte Lage gebracht. Wie ersichtlich, sind die Dichtungsspalte 8 und 9 durch stufenweise abgesetzte zylindrische Flächen begrenzt. In der Lage nach Fig. 2 sind die Teile 10 und 11 mit B_ezug auf die Lage nach Fig. 1 um einen etwa der axialen I*änge einer Stufe entsprechenden Betrag in axialer Richtung vom Läufer 1 weg verschoben.

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Damit hat sich die Spaltweite jeweils um den Betrag einer Stufenhöhe vergrössert. Die Gefahr eines Streifens der Dichtungsteile 15 des Läufers 1 an den nicht umlaufenden Dichtungsteilen 10 und 11 ist somit unter allen Umständen auegeschaltet, und es tritt auch ein wesentlich geringere Erwärmung der Luft in den Spalten auf als sie sich mit den engen Dichtungsspalten in der Lage nach Fig. 1 ergeben würde.

Um während des Verschiebens der Teile 10, 11 eine Bewässerung der Dichtungsspalte 8 bzw. 9 zu ermöglichen, ist in den Teilen 10, 11 je ein zum Dichtungsspalt 8 bzw. 9 führender Kanal 28 vorgesehen, der mit einer durch das Zwischenglied 12 hindurchgehenden Längsbohrung in Verbindung steht. Die Längebohrung im Zwischenglied 12 steht ihrerseits mit einem im Stellmotorgehäuse 17 ausgesparten Raum 29 in Verbindung, der durch eine Oeffnung 30 von aussen mit Druckwasser beschickt werden kann.

Das zugeleitete Druckwasser gelangt durch die Bohrung im Zwischenglied 12 und den Kanal 28 als Kühlmittel zum Dichtungespalt 8 bzw. 9· Die Wasserzufuhr soll bei Entfernen der verschiebbaren Teile 10, 11 vom Läufer 1 solange andauern, bis die Lage geiaäss Pig. 2 erreicht ist, der Spalt alao vergrössert worden ist. Umgekehrt darf beim Rückführen der Teile 10, 11 in die Lage nach Fig. 1 die Druckwasserzufuhr erst unter-

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brochen werden, wenn die hydraulische Kreiselmaschine für den eigentlichen Betrieb mit Wasser gefüllt worden ist.

Eine Veränderung der Weite des Dichtungsspaltes 8 bzw. bei Verschiebung der Teile 10 bzw. 11 würde auch dann erzielt, wenn der Dichtungsspalt 8 bzw. 9 statt, wie beschrieben, durch stufenweise abgesetzte zylindrische Fläohen, durch konische Flächen begrenzt wäre. Eine für den Betrieb des Läufers in Luft hinreichende Weite des Dichtungsspaltes würde dann eventuell schon bei geringerer Lageveränderung des verschiebbaren Teils erreicht als bei den stufenweise abgesetzten Begrenzungsflächen.

Labyrinthdichtungen mit von Kegelflächen begrenzten Dichtungsepalt en haben eich aber in der Praxis, insbesondere bei grossen hydraulischen Maschinen, als unzweckmässig erwiesen, weil ihre Dichtwirkung sich schon bei geringer axialer Verschiebung des Läufers merklich ändert. Es kann eich im Betrieb eine laufende Veränderung der Weite des Dichtungaepaltes und damit auch des Wirkungsgrades der Maschine und des Axialschubes ergeben. Aus diesem Grunde sind bei einer Labyrinthdichtung gemäss der Erfindung stufenweise abgesetzte zylindrieche Begrenzungaflächen für den Dichtungs8palt konischen Begrenzungsflächen vorzuziehen.

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Claims

- 13 Patentansprüche

1. Labyrinthdichtung an einer hydraulischen Kreiselmaschine, deren Läufer zeitweise in Wasser und zeitweise in Luft umläuft,

dadurch gekennzeichnet,

dass die relative Lage der den Dichtungsspalt (8 bzw. 9) beidseitig begrenzenden Teile (10, 15 bzw. 11, 15) von der für das Umlaufen des Läufers (l) in Wasser bestimmten Lage (Fig. 1), in der die Weite des Dichtungsspaltes (8 bzw. 9) verhältnismässig klein ist, bis zu einer für das Umlaufen des Läufers (l) in Luft bestimmten Lage mit vergrössertem Spalt (Fig. 2) veränderbar ist.

2. Verfahren zum Betrieb einer hydraulischen Kreiselmaschine mit einer Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (8 bzw. 9) während des Veränderns der relativen Lage der den Dichtungsspalt beidseitig begrenzenden Teile (10, 15 bzw. 11, 15) bewässert wird.

3. Labyrinthdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht umlaufende, den Dichtungßspalt (8 bzw. 9) begrenzende Teil (10 bzw. 11) im Maschinengehäuse (4, 5 bzw. 6, 7) verschiebbar geführt und über Zwischenglieder

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(12) mit einem oder mehreren Stellmotoren (13) verbunden ist.

4. Labyrinthdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (8 bzw. 9) durch stufenweise abgesetzte zylindrische Flächen begrenzt ist und das verschiebbare Teil (10 bzw. 11) der Dichtung um einen etwa der axialen Länge einer Stufe entsprechenden Betrag in axialer Richtung verschiebbar ist.

5· Labyrinthdichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das verschiebbare Teil (10 bzw. 11) der Dichtung mit einem zentrierenden Anschlag (24) ausgerüstet ist, der bei kleiner Spaltweite eine spiellose Verbindung mit dem Maschinengehäuse (4,5 bzw. 6,7) sicherstellt.

6. Labyrinthdichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das verschiebbare Teil (10 bzw. 11) der Dichtung als Ringkolben ausgebildet ist und in der für das Umlaufen des Läufers (l) in Wasser bestimmten Lage mit dem Gehäuse (4, 5 bzw. 6, 7) einen mit einer Druckwasserquelle in Verbindung stehenden Ringraum (25) begrenzt.

7. Labyrinthdichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (25) mit dem Druckwasserraum (27) der hydraulischen Maschine in Verbindung steht.

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