Turbomaschine mit abgedichteter Welle Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbo maschine mit abgedichteter Welle.
Der Erfindung liegt die bekannte Konstruktions aufgabe zugrunde, eine der Betriebsweise einer Turbomaschine und den speziellen Eigenschaften des Arbeitsmittels angepasste Wellendichtung zu schaffen. Diese Dichtung bildet bei Turbomaschinen unter Umständen eines der für den Betrieb wichtigsten und zugleich heikelsten Organe, besonders dann, wenn die Dichtung beispielsweise wegen besonderer Eigen schaften des Fördermittels eine sowohl im Stillstand als auch während des Betriebes der Maschine völlig hermetische sein muss, und wenn - aus betrieb lichen Gründen - die Turbomaschine mit sehr hohen Drehzahlen arbeitet.
Die erwähnten besonderen Eigenschaften des Fördermittels, welche den Konstrukteur zwingen, extrem hohe Anforderungen an die Dichtheit des Dichtungselementes zu stellen, können z. B. folgende sein: a) starke Toxizität, b) Empfindlichkeit gegen Verunreinigungen, Ver dünnung, Unverträglichkeit mit Luft oder Feuchtigkeit usw., c) hoher Preis des Arbeitsmittels und daher Un wirtschaftlichkeit des Betriebes bei andauernden Ver lusten oder Verschlechterung der Betriebsverhält nisse durch solche Verluste, d) die Notwendigkeit, das Arbeitsmittel von den Bauteilen der übrigen Anlage z. B. wegen hoher Aggressivität oder Korrosivität abzuhalten.
Man hat schon versucht, das Dichtungsproblem durch Stopfbüchsen zu lösen. Diese Ausführung konnte jedoch in vielen Fällen nicht befriedigen, da bei ihr die Abführung von Wärme - entstanden durch Reibung oder vom Arbeitsmittel her übertragen schwierig ist. Denn der Vorteil einer Kolbenmaschi- nenstopfbüchse, dass nämlich die Stange aus der Stopfbüchse heraustritt, und dadurch sowohl Un- reinigkeiten ausfegt als auch Gelegenheit zur Ab kühlung hat, fällt bei der umlaufenden Welle weg.
Bei vielen Konstruktionen wurde die Schwierigkeit der Reibungsfrage dadurch umgangen, dass man eine Berührung zwischen Packung und Welle ver mied und die Abdichtung nur durch äusserste Ver minderung des Spiels herbeiführte. Dies führte zur sogenannten Labyrinthdichtung. Diese hat den Vor teil, dass die Reibung zwischen Welle und Dichtung aufgehoben ist, aber den Nachteil eines sehr grossen Platzbedarfes und eines zwar geringen, aber doch merklichen Verlustes von Arbeitsmittel.
In einigen Fällen versuchte man, diesen Nach teil zu beseitigen, indem man die Labyrinthdichtung zusätzlich noch mit einem Wasserabschluss versah, eine Ausführung, die sich als Abdichtung gegen Va kuum als brauchbar und gut erwiesen hat. Nur bleibt auch bei dieser Ausführung der Nachteil bestehen, dass die im Betrieb sich einstellende, praktisch völlige Dichtigkeit beim Stillstand der Maschine aufgehoben ist, so dass Arbeitsmittel oder Luft, wenn auch nur in geringem Umfang, hindurchtreten kann.
Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, hat man schon versucht, Stopfbüchsen mit fester Liderung einzuführen, eine höchst schwierige Aufgabe, welche erst durch die Verwendung von Kohleringen befrie digend gelöst werden konnte. Bei einer bekannten Ausführung einer solchen Dichtung waren mehrere geteilte Ringe auf der Welle angeordnet, durch Spiral federn zusammengehalten, und an der Stossfuge mit einem Kupferschloss versehen, welches ein Mitdrehen der Ringe auf der Welle verhinderte.
Bei einer andern bekannten Ausführung besitzen die Ringe in axialer Richtung ein geringes Spiel und werden durch den abzudichtenden Überdruck nach der Seite des Druckabfalles hin gegen feststehende Zwischenringe angepresst, wodurch eine gute Dichtung erreicht wird. Die Ringe müssen entsprechend der Wärmedehnung der Welle ein radiales Spiel besitzen; ferner dürfen sie wegen der Gefahr örtlich hoher Reibungswärme nur mit sehr geringem radialem Druck an der Welle anliegen, weswegen man bei den bekannten Ausführungen zwangläufig dazu über ging, eine Vielzahl paralleler Dichtungsringe hinter einander zu legen. Es sind beispielsweise Dichtungen mit einer Anzahl von 6 bis 10 Kohleringen bekannt geworden.
Die Nachteile dieser Dichtung bestehen in sehr grossem Platzbedarf und - speziell bei kritischen Betriebsverhältnissen - darin, dass eine Wärme stauung in der Welle im Bereich der Dichtung infolge Reibung bei gleichzeitig schlechtem Wärmeleitver- mögen der Ringe entsteht, welche zu einem uner wünschten Temperaturanstieg führt.
Alle diese Schwierigkeiten bezweckt die Erfin dung zu beheben. Diese besteht darin, dass die Turbomaschine eine Wellendichtung besitzt, welche innerhalb eines Lagergehäuses der Welle in der Nähe des Lagers derart angeordnet ist, dass sie das Innere des Lagergehäuses sowohl gegenüber dem Arbeits mittel als auch gegenüber der freien Atmosphäre ab dichtet, und dass die im Gehäuse zirkulierende Schmier- und Kühlflüssigkeit des Lagers zugleich die Kühl- und Sperrflüssigkeit der Dichtung bildet.
Ferner kann die Turbomaschine eine Förder- und Regeleinrichtung für die Flüssigkeit aufweisen, welche im Lagergehäuse gleichzeitig die Funktion der Sperr flüssigkeit sowie des Kühlmittels und Schmiermittels ausübt, und die so ausgebildet ist, dass die Flüssig keit sowohl während des Stillstandes als auch während des Betriebes der Maschine auf einem - relativ zur Atmosphäre und zum abzudichtenden Medium - er höhten Druckniveau hält.
Nach der Erfindung hergestellte Wellendichtun gen haben in der Praxis gezeigt, dass sie den als Erfindungsaufgabe genannten Anforderungen hin sichtlich Dichtigkeit, Betriebssicherheit, geringem Platzbedarf sowie Einfachheit der Bauweise vollauf genügen. Das Eindringen von Schmiermittel in den Arbeitsmittelkreislauf wurde ebenfalls durch die Anordnung nach der Erfindung auf einfache Weise wirksam verhindert. Die Vorteile der Erfindung ge genüber den bisher bekannten Dichtungen sind dem nach folgende: 1. Die Vereinigung der Dichtung mit dem Lager in einem gemeinsamen Gehäuse ergibt eine Verkür zung des Lagerabstandes, wodurch es möglich wird, die Turbomaschine ohne Gefährdung durch kritische Schwingungen mit sehr hohen Drehzahlen zu be treiben.
2. Die Dichtung ist sowohl im Stillstand als auch im Betrieb der Maschine eine absolut hermetische. 3. Der Überdruck der Sperrflüssigkeit verhindert mit Sicherheit jegliches Eindringen von Fördermittel in das Lager. 4. Die besondere Art der Ölführung ermöglicht es, von der Dichtung sowie gleichzeitig von der Welle und dem Lager durch Reibung oder Wärme leitung erzeugte Wärmemengen ohne Schwierigkeit abzuführen.
5. Indem das Lagergehäuse auch im Stillstand mit Schmiermittel gefüllt ist, welches unter einem stati schen Überdruck gegenüber dem Arbeitsmittel der Turbomaschine und gegenüber der Atmosphäre steht, erübrigt sich die Anwendung einer sonst üblichen, besonderen Anfahrschmierölpumpe oder ähnlicher Einrichtungen zum Schmieren des Lagers während des Anfahrens.
6. Der durch eine zusätzliche, federnde Stütze veränderliche axiale Anpressdruck zwischen Gleitring und Bund bzw. Dichtungsfläche ermöglicht eine An passung der Dichtung an die jeweiligen Betriebs bedingungen ohne komplizierten technischen Auf wand.
7. Die bauliche Vereinigung der Dichtung mit dem Lager erspart ein gesondertes Gehäuse und ein gesondertes Kühl-, Schmier- und Sperrmittelsystem für Dichtung und Lager.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Turbomaschine sind in den Fig. 1 bis 3 der bei gefügten Zeichnung stark vereinfacht im Längsschnitt dargestellt, wobei Fig. 4 bis 6 Einzelheiten der Dicht ringe in grösserem Massstab zeigen.
Die Fig. 1 zeigt eine Turbomaschine mit der Welle 1 im Maschinengehäuse 2 sowie dem Verdichterrotor 3. Rechts und links im Maschinengehäuse 2 sind die gemeinsamen Gehäuse 4 und 5 für Lager und Dichtung zu erkennen. Auf einer Seite ist das Axial laCer 6, gegenüberliegend das Gegenlager 7 angeord net. Die im Axiallager 6 gelagerte Welle 1 besitzt an dieser Stelle zwei Bunde 8 und 8'. Hiervon dient der Bund 8 an der dem Lager 6 abgekehrten Seite als Dichtungsbund zur Anlage des Gleitringes 9. Im Gehäuse 4 ist der Wellenbund 10 im Abstand vom Lager 7 angeordnet, er liegt jedoch in unmittelbarer Nähe desselben, das heisst in einem Abstand, welcher nur so gross ist, wie er aus Gründen der Wärme dehnung der Welle mit Sicherheit sein muss.
Die Gleitringe 9 stehen fest und sind mit dem Gehäuse durch ein elastisches Zwischenglied 11 verbunden. In der Zeichnung ist dieses Zwischenglied 11 als federn des Metallrohr dargestellt, es kann aber auch aus elastischem Kunststoff bestehen.
Der Anpressdruck der Gleitringe 9 kann durch eine zusätzliche, federnde Stütze 12 verstärkt werden, deren Anordnung aber nicht in jedem Falle unbedingt erforderlich ist.
An denjenigen Stellen, wo das im Gehäuse mit Überdruck gegen die Dichtung anstehende Sperröl durch dieselbe hindurchsickern kann, sind Sammel- räume 13 für Sickeröl im Maschinengehäuse 2 an geordnet. Entsprechend trägt die Welle 1 an diesen Stellen Schleuderringe 14, welche allfälliges Sickeröl abschleudern. Aus diesen Sammelräumen 13 wird das aufgefangene Öl durch Leitungen 15 abgeführt.
Die Bestandteil von Lager und Dichtung bildende Förder- und Regeleinrichtung für die Kühl-, Schmier und Sperrflüssigkeit besteht aus einem Vorratsgefäss 16, einer Ölpumpe 17, einer Druckleitung zu den Lagern 18 mit Rückschlagventil 19, einer Steigleitung 20 mit überlaufgefäss sowie Rückflussleitung 22.
Ein das Öl kühlender oder beheizender Wärme- austauscher 23 wird - wenn nötig - in der Rück flussleitung 22 angeordnet.
Der für die Funktion notwendige Überdruck der Sperrflüssigkeit gegenüber dem Arbeitsmittel und der Atmosphäre wird im Stillstand sowie im Be trieb der Turbomaschine beispielsweise durch die sta tische Druckhöhe H zwischen überlaufgefäss 21 und den Lagern 4 bzw. 5 hervorgerufen. Um den Druck im Betrieb zu steigern, kann eine zusätzliche Flüssig keitsdrossel 49 in die Steigleitung 20 eingebaut sein.
Da die beschriebene Dichtung die durch das Gehäuse hindurchtretende Welle hermetisch abdichtet, und zwar sowohl gegenüber dem Arbeitsmittel der Turbomaschine als auch gegenüber demjenigen Me dium, in welches die Welle hineinragt - in Fig. 1 beispielsweise Luft -, eignet sich die Dichtung prak tisch für alle vorkommenden Abdichtungsfälle bei verschiedenen Medien, und zwar: n) Flüssigkeit gegenüber Gas, b) Flüssigkeit gegenüber Flüssigkeit, c) Gas gegenüber Gas, d) Gas gegenüber Flüssigkeit. Bei einer alternativen Ausführung der Dichtung in Fig. 1 ist der Gleitring 9' durch das Zwischenglied 11' mit dem Bund 8' der Welle verbunden und läuft mit derselben um.
Unter einer axialen Vorspannung, welche dem Gleitring durch die federnde Stütze 12' verliehen wird, läuft derselbe an einer im Lager gehäuse vorgesehenen Dichtfläche 50.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei welcher die Gleit- ringe 9 mit dem Gehäuse 4 durch das bewegliche Zwischenglied 51 verbunden sind.
Das Zwischenglied läuft in einer zylinderförmigen Bohrung 53 des Gehäuses und besitzt - ähnlich wie ein Kolben - zweckmässig einen Dichtring 52.
Um den Umlauf der Kühlflüssigkeit nicht nur von dem Durchtritt des Schmiermittels durch das Lager abhängig machen zu müssen, kann man durch Bypass- kanäle 54 einen Teil des dem Lager zugeführten Schmiermittels abzweigen und direkt durchs Lager gehäuse 4 leiten.
Bei der Variante gemäss der Fig. 3 ist der Gleitring 9' durch das axial verschiebbare Zwischenglied 51' mit der Welle 1 verbunden und läuft mit ihr um, wobei die Dichtung unter Spannung, hervorgerufen durch die federnde Stütze 12", an der Dichtfläche 50 im Gehäuse läuft. Welle 1 und verschiebbares Glied 51' sind durch die Dichtung 52' gegeneinander abgedichtet.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt aus der Anordnung gemäss Fig. 3 vergrössert dargestellt, und zwar zeigt sie den an der Dichtfläche 50 im Gehäuse anliegenden Gleitring 9'. Diese Dichtfläche 50 besteht nach Fig. 4 aus einem in das Gehäuse eingelegten Gegenring 55.
Fig. 5 und 6 zeigen variante Ausführungsformen des Gleitringes 9 bzw. 9' und des Gegenringes 55, welche an den gegenseitigen Berührungsflächen mit einander angepassten Profilen 54 versehen sein können.