NO334129B1 - Anordning ved labyrinttetning for hydraulisk strømningsmaskin - Google Patents

Description

ANORDNING VED LABYRINTTETNING FOR HYDRAULISK STRØMNINGSMASKIN

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning ved en labyrinttetning for en hydraulisk strømningsmaskin. Mer spesifikt vedrører oppfinnelsen en anordning ved en

labyrinttetning på et løpehjul for en hydraulisk strømningsmaskin, hvor løpehjulet omfatter en flerhet skovler fordelt om løpehjulets senterakse. Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte ved utforming av en labyrinttetning på et løpehjul for en hydraulisk strømningsmaskin.

Løpehjul for hydrauliske strømningsmaskiner så som pumper og turbiner kan være utsatt for betydelig slitasje. Spesielt utsatt er løpehjul hvorigjennom partikkelholdige fluider ledes. For eksempel har sandholdig elvevann vist seg å kunne slite i stykker løpehjul i hydrauliske strømningsmaskiner etter kort tids bruk.

Fra patentskrift NO 327520 Bl er det kjent et løpehjul for en fluidmaskin med skovler løsbart koblet til løpehjulet. Patentskriftet beskriver også hvordan skovlene og andre løpehjulskomponenter kan belegges med et hardt belegg, for eksempel et karbid, for å øke slitasjemotstanden, og dermed levetiden til en fluidmaskin som er utsatt for stor slitasje og erosjon.

Patentskrift US 20080286130 Al beskriver et løpehjul med løsbare og fleksibelt plasserbare skovler.

Det er kjent å benytte labyrinttetninger for å redusere lekkasjestrømmer av fluider mellom stasjonære og roterende deler i hydrauliske strømningsmaskiner. En labyrinttetning tilveiebringer en økt motstand for lekkasjefluider. Stadige retnings- og arealendringer og lokal turbulens bevirker at det oppstår et økt trykkfall, og således en redusert lekkasjestrøm, over labyrinttetningen, og dermed også en økt virkningsgrad for den hydrauliske strømningsmaskinen.

Labyrinttetninger i henhold til kjent teknikk er laget til bruk med tanke på ulike gasser og rene væsker uten sedimenter. Labyrinttetningene består av én eller flere lommer anbragt i avstand fra hverandre, hvor hver lomme består av et lukket bunnparti og et åpent topparti forbundet med to rette sidevegger. Mindre klaring mellom de to side veggene vil kunne gi mindre lekkasjestrøm, men dette må veies opp mot nødvendig klaring for å unngå at løpehjulet kommer bort i stasjonære deler av den hydrauliske strømningsmaskinen, for eksempel ved rusing eller andre ugunstige driftstilfeller hvor den hydrauliske strømningsmaskinens aksial- og radialkrefter kan flytte løpehjulet både i aksiell og radiell retning.

Kjente påføringsmetoder for ovennevnte harde belegg fordrer at belegget sprøytes på normalt på overflaten som skal belegges. Det vil si at det for kjente labyrinttetninger som benyttes i hydrauliske strømningsmaskiner ikke vil være mulig å påføre et slikt hardt belegg på sideveggene i lommene. Labyrinttetningen vil derfor kunne være svært utsatt for slitasje og erosjon, og levetiden til et løpehjul hvorpå labyrinttetningen er anbragt vil kunne bli sterkt redusert.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i etterfølgende patentkrav.

I et første aspekt vedrører oppfinnelsen en anordning ved en labyrinttetning på et lø-pehjul for en hydraulisk strømningsmaskin, hvor labyrinttetningen er anordnet på et parti av løpehjulet som i en brukssituasjon befinner seg i en tett avstand fra et stasjonært parti av den hydrauliske strømningsmaskinen, og hvor labyrinttetningen omfatter minst én lomme med et lukket bunnparti og et åpent topparti, hvor bunnpartiet og toppartiet er forbundet av to sidevegger, kjennetegnet ved at en vinkel p mellom bunnpartiet av labyrinttetningens minst ene lomme og sideveggene er større enn 90°.

I en turbin vil det stasjonære partiet som løpehjulet befinner seg i en tett avstand fra typisk være turbinens øvre og nedre lokk.

Lommene kan i én utførelsesform være tilveiebragt med tilnærmet trapesformet snitt, hvorved det vil være to vinkler p som er større enn 90° ved bunnpartiet av den minste ene lommen. Alternativt kan lommene være tilveiebragt med triangulært snitt, hvor det kun er én vinkel p som er større enn 90° ved lommens bunnparti. I sistnevnte ut-førelsesform vil lommens bunnparti utgjøres av toppen av vinkelen p, hvor sideveggene møtes. Hjørnene i lommene kan være skarpe eller avrundede.

Fordelen med en ikke-normal vinkel mellom lommens bunnparti og sideveggene er at det vil være mulig å påføre er hardt belegg, heretter kalt et slitasjebelegg, i labyrint tetningen, også på sideveggene, idet vanlig påføringsteknikk innebærer at belegget sprøytes på i det vesentlige normalt på overflaten, jamfør beskrivelsen i det ovenstående.

En ytterligere fordel ved den foreliggende oppfinnelse er labyrinttetningen er anbragt på løpehjulet. Det vil si at en modifisering av en hydraulisk strømningsmaskin for å innføre den foreliggende oppfinnelsen kun krever bearbeiding på en roterende, lett utskiftbar del av strømningsmaskinen. De stasjonære delene vil være uendret, noe som gir et billig alternativ til mer kompliserte tettinger. Den stasjonære flaten kan være helt plan.

I én utførelsesform kan vinkelen være større en 95°.

I en annen utførelsesform kan vinkelen være større enn 115°. En større vinkel vil ge-nerelt medføre enklere påføring på sideflatene, men større vinkel, altså en flatere lomme, vil også kunne gi mindre trykkfall over labyrinttetningen. Optimal vinkel £ og form og størrelse på lommene vil kunne variere i ulike brukssituasjoner. Lommene vil i flere brukstilfeller fortrinnsvis kunne utformes med større bredde enn dybde.

I én utførelsesform kan labyrinttetning omfatte to eller flere lommer. Flere lommer vil gi et større trykkfall over labyrinttetningen, og således bedre hydraulisk virkningsgrad for den hydrauliske strømningsmaskinen.

Det beskrives også en hydraulisk strømningsmaskin omfattende en labyrinttetning i henhold til ovenstående beskrivelse. Den hydrauliske strømningsmaskinen kan være en turbin.

I et andre aspekt vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte ved utforming av en labyrinttetning på et løpehjul for en hydraulisk strømningsmaskin, hvor labyrinttetningen omfatter minst én lomme med et lukket bunnparti og et åpent topparti, hvor bunnpartiet og toppartiet er forbundet av to sidevegger, og hvor fremgangsmåten omfatter å anordne en labyrinttetning på et parti av løpehjulet som i en brukssituasjon befinner seg i en tett avstand fra et stasjonært parti av den hydrauliske strømningsmaskinen, kjennetegnet ved at fremgangsmåten ytterligere omfatter å utforme labyrinttetningens minst ene lomme på en slik måte at en vinkel mellom bunnpartiet og sideveggene blir større enn 90°.

I én utførelsesform kan fremgangsmåten ytterligere omfatte å påføre et slitasjebelegg over i det minste et parti av løpehjulet som omfatter labyrinttetningen. Fordelen med dette er at levetiden til løpehjulet vil kunne forlenges. Slitasjebelegget kan for eksem pel være karbider, mineraler, kunststoffer eller andre harde materialer som er kjent innenfor faget.

Slitasjebelegget kan i én utførelsesform sprøytes på i det vesentlige normalt på overflater i partiet av løpehjulet som skal dekkes.

Slitasjebelegget kan være av ulike, kjente materialer med stor hardhet, hvorav noen er nevnt ovenfor. Det kan for eksempel være et keramisk belegg.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser sett i perspektiv et løpehjul som benyttet ved den forliggende oppfinnelse; Fig. 2 viser sett fra siden og i større målestokk enn på figur 1, en labyrinttetning i henhold til kjent teknikk; Fig. 3 viser sett fra siden og i samme målestokk som på figur 2 en labyrinttetning i henhold til den foreliggende oppfinnelse, og Fig. 4 viser sett fra siden en alternativ utførelse av en labyrinttetning i henhold

til den foreliggende oppfinnelse.

I det følgende vil henvisningstallet 1 angi et løpehjul for en, i sin helhet ikke vist, hydraulisk strømningsmaskin. Figur 1 viser et løpehjul 1 omfattende en løpehjulshub 11 og en ring 13 hvorimellom en flerhet skovler 12 er festet og fordelt om en senterakse S av løpehjulet 1. Et eksempel på et slikt løpehjul 1 er beskrevet i ovennevnte patentskrift NO 327520 Bl, og det henvises dertil for en mer utfyllende beskrivelse av løpehjulets 1 sammensetning og virkemåte. I overkant av ringen 13 er løpehjulet 1 utformet med en labyrinttetning 15 som i en brukssituasjon tilveiebringer en tetning mot en stasjonær del 2, se figur 2, av den hydrauliske strømningsmaskinen. Løpehjulet 1 er på tilsvarende måte for-synt med en ikke vist labyrinttetning 15 på undersiden av løpehjulshuben 11. Figur 2 viser skjematisk og forenklet en labyrinttetning 15' i henhold til kjent teknikk. Labyrinttetningen 15' er anbragt i tett av stand fra en stasjonær del 2 av den hydrauliske strømningsmaskinen. Labyrinttetningens 15' virkemåte er beskrevet i det ovenstående. Den viste labyrinttetningen 15' består av tre lommer 151' anbragt i en avstand fra hverandre, hvor hver lomme 151' består av et lukket bunnparti 153', et åpent topparti 154' og to sidevegger 152' som står normalt på bunnpartiet 153', hvorved en vinkel p mellom bunnpartiet 153' og hver av sideveggene 152' er 90°. I det ovenstående er det beskrevet hvorfor en slik labyrinttetning 15' er dårlig egnet til bruk på et løpehjul 1 som transporterer partikkelholdige fluider gjennom en hydraulisk strømningsmaskin. Figur 3 viser skjematisk og forenklet en labyrinttetning 15 i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Labyrinttetningen 15 er anbragt i tett avstand fra en stasjonær del 2 av den hydrauliske strømningsmaskinen, og lommene 151 er utformet med trapesformet snitt. Den viste labyrinttetningen 15 består av tre lommer 151 anbragt i avstand fra hverandre, hvor hver lomme 151 består av et lukket bunnparti 153, et åpent topparti 154 og to sidevegger 152 som forbinder bunnpartiet 153 og toppartiet 154, hvor sideveggene 152 står ikke-normalt på bunnpartiet 153, hvorved vinkelen p er større enn 90°. Fordelen med dette er beskrevet i det ovenstående. I den viste utførel-sesformen er vinkelen p i størrelsesorden 120°. Figur 4 viser en alternativ utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse der alle hjørner i labyrinttetningen 15 er avrundet. Dette vil kunne gjøre det enklere å få et påført hardt belegg til å feste seg til labyrinttetningen 15.

Claims (10)

1. Anordning ved labyrinttetning (15) på løpehjul (1) for hydraulisk strømnings-maskin, hvor labyrinttetningen (15) er anordnet på et parti av løpehjulet (1) som i en brukssituasjon befinner seg i en tett avstand fra et stasjonært parti (2) av den hydrauliske strømningsmaskinen, og hvor labyrinttetningen (15) omfatter minst én lomme (151) med et lukket bunnparti (153) og et åpent topparti (154), hvor bunnpartiet (153) og toppartiet (154) er forbundet av to sidevegger (152),karakterisert vedat en vinkel (P) mellom bunnpartiet (153) av labyrinttetningens (15) minst ene lomme (151) og sideveggene (152) er større enn 90°.

2. Labyrinttetning (15) i henhold til krav 1, hvor vinkelen (P) er større en 95°.

3. Labyrinttetning (15) i henhold til krav 2, hvor vinkelen (P) er større enn 115°.

4. Labyrinttetning (15) i henhold til hvilket som helst av kravene 1-3, hvor labyrinttetningen (15) omfatter to eller flere lommer (151).

5. Hydraulisk strømningsmaskin omfattende en labyrinttetning (15) i henhold til krav 1.

6. Turbin omfattende en labyrinttetning (15) i henhold til krav 1.

7. Framgangsmåte ved utforming av labyrinttetning (15) på løpehjul (1) for hydraulisk strømningsmaskin, hvor labyrinttetningen (15) omfatter minst én lomme (151) med et lukket bunnparti (153) og et åpent topparti (154), hvor bunnpartiet (153) og toppartiet (154) er forbundet av to sidevegger (152), og hvor fremgangsmåten omfatter å anordne en labyrinttetning (15) på et parti av løpehjulet (1) som i en brukssituasjon befinner seg i en tett avstand fra et stasjonært parti (2) av den hydrauliske strømningsmaskinen,karakterisert vedat fremgangsmåten ytterligere omfatter å utforme labyrinttetningens (15) minst ene lomme (151) på en slik måte at en vinkel (P) mellom bunnpartiet (153) og sideveggene (152) blir større enn 90°.

8. Framgangsmåte i henhold til krav 7, hvor fremgangsmåten ytterligere omfatter å påføre et slitasjebelegg over i det minste et parti av løpehjulet (1) som omfatter labyrinttetningen (15).

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, hvor fremgangsmåten omfatter å sprøyte på slitasjebelegget i det vesentlige normalt på overflater i partiet som skal dekkes.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 8 eller 9, hvor slitasjebelegget som påføres over i det minste et parti av løpehjulet (1) er et keramisk belegg.