Außenkranzdichtung einer Straflo-Turbine

Das Hauptproblem der Außenkranzdichtung der Straflo-Turbine ist die kurze Standzeit bei sandbeladenem Wasser. Der Sand wird durch die Fliehkraft in den Bereich der Dichtung gedrückt und verursacht dort starken Verschleiß.

In der Abbildung unten ist der Aufbau des Prüfstands für die Straflo-Turbine zu sehen. Es wird das Wasser von der Hauptpumpe in die stationäre Trommel mit der Gegenfläche aus Keramik gefördert. Die Dichtung aus Elastomer ist wie in der Realmaschine am Rotor fixiert und wird direkt von einem Asynchronmotor angetrieben. Das Wasser verlässt den Straflo-Turbinen-Prüfstand im Anschluss entweder durch die Trommel und den anschließenden Kühler oder über die Dichtung und zur Messung der Leckagemasse über eine Waagschale. Mit der vorhandenen Drehmomentenmesswelle wird die Antriebsleistung gemessen.

Für die Untersuchung des Dichtungsproblems der Straflo-Turbine wurde auch eine Betriebspunktmatrix festgelegt, diese besteht aus 12 Kombinationen von Dichtungsvorspannungen und Innendrücken, welche den Betriebsbereich der Dichtung in der Realmaschine abdecken. Dies war notwendig, da die doppelt geregelte Variante der Straflo-Turbine von der kleinsten bis zur größten Leistung eine axiale Verschiebung von bis zu 6,5mm erfährt.

Die Parameter des Modells wurden so gewählt, dass die Umfangs- bzw. Gleitgeschwindigkeit am Modell jener an der Realmaschine entspricht. Um den Einfluss der erhöhten Fliehkraft zu relativieren wurde mittels einer CFD Simulation der nötige Innendruck am Prüfstand ermittelt um die vereinbarte Betriebspunktmatrix von der Realmaschine auf das Modell übertragen zu können.

Für die ersten Untersuchungen der Straflo-Turbine wurden 3 verschiedene Elastomere ausgewählt. Dabei ergaben sich sehr starke Unterschiede im Verschleißverhalten und in der benötigten Antriebsleistung. Es musste auch beobachtet werden, dass die Antriebleistung einerseits stark von der Drehrichtung und andererseits auch von der verwendeten Charge der SiC-Keramik abhängig ist. Im Folgenden wurden erste Versuche mit sandbeladenem Wasser durchgeführt, dies führte in kürzester Zeit wie auch in der Realmaschine zu starkem Dichtungsverschleiß. Damit konnte das kurzfristige Versagen der Dichtung an der Realmaschine auch am Prüfstand nachgewiesen werden. Die Ergebnisse aus den Versuchen mit sandhaltigem Wasser führten zu ersten Überlegungen, wie der Sand von der Dichtung ferngehalten werden könnte. Hierzu wurde die Dichtung mit einem Abdecksegment versehen und zwischen Dichtung und Abdecksegment geringe Mengen Spülwasser eingebracht. Es konnte hierbei kein nennenswerter Anstieg der Antriebsleitung oder der Leckage festgestellt werden. Die Standzeit der Dichtung wurde jedoch sehr stark erhöht. Es gelangen aber immer noch zu hohe Mengen Sand in den Bereich der Dichtung gelangt, die Dichtung war also nicht vollends vor dem Sand geschützt. Mit diesen Erkenntnissen wurde das Abdecksegment weiterentwickelt.

Die Weiterentwicklung und Optimierung der Straflo-Turbine sieht eine erhöhte axiale Überdeckung und zwei axialdurchflossene Spalten vor, sodass eine einfache Labyrinthdichtung mit einer Kammer entsteht. Die Ergebnisse mit diesem Konzept waren sehr erfolgversprechend, denn es konnten im Dichtungsbereich bei Betriebsdrehzahl nur noch geringe Mengen Sand gefunden werden. Um den Einfluss der erhöhten Fliehkraft am Modell zu untersuchen wurde die Drehzahl stufenweise verringert bis dieselbe Fliehkraft wie an der Realmaschine vorherrschte. Mit dieser Vorgehensweise konnte der starke Einfluss der Fliehkraft auf das Eindringen des Sandes nachgewiesen werden. Nach Abschluss der Untersuchungen der Straflo-Turbine mit Variation der Drehzahl respektive Fliehkraft konnte bewiesen werden, dass der Sand durch Einsatz eines entsprechenden Spülkonzepts erfolgreich von der Dichtregion ferngehalten werden kann.

Ergebnisse der Untersuchung

Die detaillierten Ergebnisse der experimentiellen Untersuchungen zur Dichtung einer Straflo-Kaplan-Turbine sind im Paper "Experimental investigation of the rim-lip-seal of a double regulated STRAFLO Kaplan-turbine under extreme conditions" auf der Konferenz HYDRO 2013 in Innsbruck (Österreich) publiziert worden.