Die Wellen von Wasserturbinen werden mit verschiedenen Dichtungsmethoden abgedichtet. Eine der traditionellen Methoden zur Abdichtung von Turbinenhauptwellen ist die Stopfbuchspackung. Die Stopfbuchspackung hat mehrere Vorteile gegenüber alternativen Abdichtungsmethoden:
– Relativ einfache Technologie
– Nicht-katastrophales Versagen
– Niedrige Anfangskosten
Viele Wasserturbinen, die heute in Betrieb sind, werden immer noch mit Stopfbuchspackungen abgedichtet, neben den anderen Technologien, die verfügbar sind und verwendet werden. Leider hat die Stopfbuchspackung auch einige Nachteile:
– Wartungsintensiv – Nachziehen und häufiger Austausch
– Leckage – Stopfbuchspackungen sind im Allgemeinen nicht hermetisch abgedichtet und benötigen auf einer rotierenden Welle eine gewisse Leckage zur Schmierung und Kühlung.
Packungen können durch andere Methoden ersetzt werden, was jedoch kostspielig und manchmal technisch nicht machbar ist. Die A.W. Chesterton Co. hat eine Technologie entwickelt, die die Nachteile der Packung überwindet. Diese Technologie reduziert den Wartungsaufwand, verlängert die MTBR und reduziert Ausfallzeiten und Kosten.
1. Technologie der Stopfbuchspackung
Werfen wir einen Blick auf die Technologie der Stopfbuchspackungen. Sie werden aus synthetischen oder natürlichen Fasern geflochten und mit Schmiermitteln und Blockiermitteln gefüllt. Diese Schmiermittel sind in der Regel mineralische oder synthetische Öle oder Fette. Auch PTFE-Suspension ist ein häufig verwendetes Schmiermittel. Schmiermittel haben eine doppelte Funktion. Sie verringern die Reibung zwischen Welle und Packung, wirken aber auch als Sperrmittel, um zu verhindern, dass Wasser durch die Geflechtstruktur der Packung sickert. Packungsringe werden in eine zylindrische Kammer eingebaut, die als Stopfbuchse bezeichnet wird (Abbildung 1).
In der Regel werden 4-6 Packungsringe in die Stopfbuchse eingebaut. Die Stopfbuchsbrille an dieser Stopfbuchse wird zum Zusammendrücken der Packungsringe verwendet. Die Stopfbuchse erzeugt eine axiale Kraft auf die Packungsringe, die in eine radiale Kraft in den Packungsringen umgewandelt wird. Diese Radialkraft ist die Kraft, die die Dichtung erzeugt. Da die Schmiermittel langsam aus der Packung verschwinden (weil sie herausgepresst werden) und die Packungsringe einem Verschleiß unterliegen, muss die Stopfbuchsbrille von Zeit zu Zeit nachgezogen werden. Die Häufigkeit dieses Nachspannens hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Sie kann von täglich bis monatlich variieren. Daher ist die Stopfbuchspackung von Natur aus eine wartungsintensive Dichtungsmethode. Irgendwann ist das Schmiermittel verbraucht und die Packung so abgenutzt, dass sie ersetzt werden muss.
Wenn wir diesen Nachziehvorgang in ein Diagramm eintragen und die Packungsspannung in Abhängigkeit von der Zeit betrachten, erhalten wir das folgende Diagramm (Abbildung 2).
Dieser Wartungszyklus veranschaulicht eine Reihe von Problemen im Zusammenhang mit der Verwendung von Stopfbuchspackungen:
- An den Stellen, an denen die Packungsspannung gering ist, können Feststoffe in der abgedichteten Flüssigkeit zwischen die Packung und die rotierende Welle eindringen und sowohl die Welle als auch die Dichtung verschleißen, was die Lebensdauer der Packung weiter verkürzt und möglicherweise Schäden an der Anlage verursacht.
- Häufige Anpassungen machen die Verwendung von Stopfbuchspackungen arbeitsintensiv.
- Die Dichtungsbeanspruchung ist in der Hochphase des Wartungszyklus groß. Das Wartungspersonal neigt dazu, die Packung zu fest anzuziehen, um die Zeit zwischen den Nachstellungen zu verlängern. Leider hat dies den gegenteiligen Effekt, da die Packung zusätzlichen Verschleiß erleidet und mehr Schmiermittel herausgedrückt wird. Dadurch wird die Lebensdauer der Packung noch weiter verkürzt.
Es wäre vorteilhafter, eine konstante moderate Belastung der Packung beizubehalten. Dies würde alle oben genannten Probleme beseitigen oder verringern (Abbildung 3).
2. Chesterton bietet die optimale Lösung
A.W. Chesterton Co. hat eine patentierte Technologie entwickelt, die die Probleme beseitigt, die normalerweise mit Stopfbuchspackungen verbunden sind. Diese Technologie ist das Hydroshield™-System mit der AMPS™-Technologie (Automated Mechanical Packing System) von Chesterton.
Hydroshield™ besteht aus pneumatischen Aktuatoren an der Stopfbuchse, die eine konstante Kraft auf die Packung ausüben, um den Leckagepegel konstant zu halten. Wenn die Packung durch Verschleiß an Schmiermittel und Volumen verliert, passt sich das System automatisch an. Das System besteht aus mehreren Komponenten:
– Die Stopfbuchspackung
– Die pneumatischen Antriebe
– Die verbindenden Rohrleitungen
– Eine Steuereinheit
Abb. 4: Chesterton Hydroshield TM system
Der Gasdruck wird durch Werksluft oder eine Gasflasche erzeugt. Die Steuereinheit besteht mindestens aus einem Druckregler, kann aber auch einen Puffertank zum Schutz vor einem Druckverlust der Werksluft und andere Hilfsmittel zur Überwachung und Steuerung des Luftdrucks umfassen. Die Stellantriebe sind so ausgelegt, dass sie die zum Abdichten der Packung in der jeweiligen Stopfbuchsenkonfiguration erforderliche Kraft aufbringen. Der Druckregler dient der Feinabstimmung des Drucks und hält die Leckagerate auf einem akzeptablen Niveau. Der Luftverbrauch des Systems ist sehr gering. Für den Einbau und die Ersteinstellung der Packung und des Systems werden in der Regel 15 Liter Luft verbraucht. Im Normalbetrieb liegt der Luftverbrauch nahe bei Null. Der Gasdruck wird nur verwendet, um eine Kraft auf die Packung auszuüben.
Das System ist aus 316SS mit Viton-O-Ringen und einer Staubkappe aus Polypropylen gefertigt. Die Materialien können je nach den Anforderungen der Anwendung angepasst werden.
2.1 Technologievergleich
Zur wirksamen Abdichtung von Turbinenwellen können alternative Technologien eingesetzt werden. Radialsegmentdichtungen und Gleitringdichtungen sind alternative Technologien, die erfolgreich verwendet werden. Die nachstehende Tabelle zeigt einen Vergleich zwischen den Technologien.
| Hydroshield™ | Radial segmentierte Dichtungen | Mechanische Dichtungen | |
| Größe | Keine Begrenzung | Bis zu 2000mm (80”) | Normalerweise 760 mm (30″), geteilte Dichtung bis zu 915 mm (36″) |
| Preis | Am wirtschaftlichsten (bei Umstellung von Stopfbuchspackungen) | Teuer | Das Teuerste |
| Druckstufe | Bis zu 35 bar (500 psig) | Etwa 10 bar | Bis zu 7 bar |
| Anpassungsfähigkeit | Passt sich an Systemdruckänderungen an | Keine | Keine |
| Zustand der Spülung | Kein spezielles Filtersystem erforderlich | Spezielle Wasserfiltration | Maximale Partikelgröße 30-50 Mikrometer |
| Wasserverbrauch | 0,02 L/Min Erreichbar | 20 – 90 L/Min | Abhängig von der Ausstattung |
| Intelligente Steuerung | Add-ons für Fernsteuerung und Überwachung (Connect) verfügbar | Keine | Keine |
| Einrichtung | Am einfachsten zu installieren | Schwierig | Schwierig |
2.2 Erfolgreiche Fallgeschichte mit Chesterton Hydroshield™
Ein Beispiel für eine Anwendung ist die Sanierung einer 100 Jahre alten Turbine von Dominion Engineering in Kanada. Die Turbinenwelle war mit einer Stopfbuchspackung abgedichtet, und es war nicht möglich, das System auf eine alternative Dichtungsmethode umzustellen. Das Kraftwerk Bryson ist ein Laufwasserkraftwerk am Ottawa River und befindet sich im Besitz von Hydro-Québec. Es wurde 1924 in Betrieb genommen und verfügt über eine Kapazität von 61 MW mit 3 Blöcken.
Das Hauptproblem mit der Stopfbuchspackung bestand darin, dass der Bereich, in dem sich die Stopfbuchse befand, überflutet wurde und es unsicher war, die Stopfbuchse während des Betriebs der Turbine nachzuspannen. Das bestehende Dichtungssystem der Packung war schwach und leckte stark, was zu unnötigen Wartungsstillständen führte. Infolgedessen musste die Turbine angehalten werden, um die Packung nachzuspannen. Dies führte zu kostspieligen Stillständen. Die Alternative war eine erhebliche Leckage über einen längeren Zeitraum. Die Turbinenwelle hatte einen Durchmesser von 29″ (737 mm).
An der Stopfbuchse wurde ein Hydroshield™-System in Kombination mit 5 Ringen der Stopfbuchspackung DualPac 2212 installiert. Hydro-Quebec bescheinigt, dass das System die technischen Anforderungen erfüllt. Das System ist seit Anfang 2021 in Betrieb und die Packung wird bei regelmäßigen Stillständen vorbeugend ausgetauscht. Der Kunde hat auch die 2 anderen Turbinen mit dem gleichen System nachgerüstet.
3. Fazit
Die Stopfbuchspackung ist eine Dichtungsmethode, die immer noch häufig in Wasserturbinenwellen eingesetzt wird. Diese Methode hat zwar einige Vorteile, aber auch einige Nachteile. Der Hauptnachteil ist, dass Stopfbuchspackungen auf rotierenden Wellen wartungsintensiv sind. Chesterton hat ein System entwickelt, das die Wartung von Packungsstopfbuchsen weitgehend überflüssig macht und die Lebensdauer der Packungen verlängert. Das System senkt die Betriebskosten der Turbine, erhöht die Zuverlässigkeit und steigert die Arbeitssicherheit. Das System wurde bereits erfolgreich in mehreren Turbinenanwendungen auf der ganzen Welt installiert.
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