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.
Sealed Shaft Turbomachine The present invention relates to a sealed shaft turbomachine.
The invention is based on the known construction task of creating a shaft seal adapted to the mode of operation of a turbomachine and the special properties of the working medium. In turbomachinery, this seal may be one of the most important and at the same time most delicate organs for operation, especially if the seal has to be completely hermetic both when the machine is at a standstill and during operation, for example due to special properties of the conveyor, and if - for operational reasons - the turbo machine works at very high speeds.
The mentioned special properties of the conveyor, which force the designer to make extremely high demands on the tightness of the sealing element, can, for. B. be the following: a) severe toxicity, b) sensitivity to impurities, dilution, incompatibility with air or moisture, etc., c) high price of the work equipment and therefore inefficiency of operation with ongoing losses or deterioration of the operating conditions due to such Losses, d) the need to remove the equipment from the components of the rest of the system, B. due to high aggressiveness or corrosiveness.
Attempts have already been made to solve the sealing problem using stuffing boxes. In many cases, however, this design was unsatisfactory because it makes it difficult to dissipate heat - caused by friction or transferred from the working medium. This is because the advantage of a piston machine stuffing box, namely that the rod protrudes from the stuffing box and thereby sweeps out impurities and has the opportunity to cool down, does not apply to the rotating shaft.
In many designs, the problem of friction was circumvented by avoiding contact between the packing and the shaft and only bringing about the seal by minimizing the play. This led to the so-called labyrinth seal. This has the advantage that the friction between the shaft and seal is eliminated, but the disadvantage of a very large space requirement and a small but noticeable loss of work equipment.
In some cases, attempts were made to eliminate this disadvantage by additionally providing the labyrinth seal with a water seal, a design that has proven to be useful and good as a seal against vacuum. Only in this embodiment, the disadvantage remains that the practically complete tightness which occurs during operation is eliminated when the machine is at a standstill, so that working medium or air can pass through, even if only to a small extent.
In order to avoid this difficulty, attempts have already been made to introduce stuffing boxes with fixed lids, a very difficult task which could only be satisfactorily solved by using carbon rings. In a known embodiment of such a seal, several split rings were arranged on the shaft, held together by spiral springs, and provided at the butt joint with a copper lock, which prevented the rings from rotating on the shaft.
In another known embodiment, the rings have little play in the axial direction and are pressed against stationary intermediate rings by the overpressure to be sealed on the side of the pressure drop, whereby a good seal is achieved. The rings must have radial play corresponding to the thermal expansion of the shaft; Furthermore, because of the risk of locally high frictional heat, they can only rest on the shaft with very little radial pressure, which is why the known designs inevitably went over to placing a large number of parallel sealing rings one behind the other. For example, seals with a number of 6 to 10 carbon rings have become known.
The disadvantages of this seal are that it takes up a lot of space and - especially in critical operating conditions - that heat accumulates in the shaft in the area of the seal as a result of friction and, at the same time, poor thermal conductivity of the rings, which leads to an undesirable temperature increase.
The invention aims to resolve all of these difficulties. This consists in the fact that the turbomachine has a shaft seal which is arranged within a bearing housing of the shaft near the bearing in such a way that it seals the interior of the bearing housing both against the working medium and against the open atmosphere, and that the im Housing circulating lubricant and coolant of the bearing at the same time forms the coolant and barrier liquid of the seal.
Furthermore, the turbomachine can have a conveying and regulating device for the liquid, which in the bearing housing simultaneously performs the function of the barrier liquid as well as the coolant and lubricant, and which is designed so that the liquid speed both during standstill and during operation of the Machine at a - relative to the atmosphere and to the medium to be sealed - it holds increased pressure level.
Shaft seals produced according to the invention have shown in practice that they fully meet the requirements mentioned as the object of the invention in terms of tightness, operational reliability, small space requirements and simplicity of construction. The penetration of lubricant into the working medium circuit was also effectively prevented in a simple manner by the arrangement according to the invention. The advantages of the invention ge compared to the previously known seals are the following: 1. The union of the seal with the bearing in a common housing results in a shortening of the bearing spacing, which makes it possible to run the turbo machine without the risk of critical vibrations with very high levels Speeds to operate.
2. The seal is absolutely hermetic both when the machine is at a standstill and when it is in operation. 3. The excess pressure of the sealing liquid prevents any penetration of the conveying medium into the bearing. 4. The special type of oil guide makes it possible to dissipate amounts of heat generated by friction or heat conduction from the seal and simultaneously from the shaft and the bearing without difficulty.
5.Because the bearing housing is filled with lubricant even at standstill, which is under static overpressure in relation to the working fluid of the turbomachine and in relation to the atmosphere, there is no need to use an otherwise customary, special start-up oil pump or similar devices for lubricating the bearing during start-up .
6. The axial contact pressure between the sliding ring and the collar or sealing surface, which can be changed by an additional, resilient support, enables the seal to be adapted to the respective operating conditions without any complicated technical effort.
7. The structural union of the seal with the bearing saves a separate housing and a separate coolant, lubricant and blocking agent system for the seal and bearing.
Embodiments of the turbo machine according to the invention are shown greatly simplified in longitudinal section in FIGS. 1 to 3 of the accompanying drawings, with FIGS. 4 to 6 showing details of the sealing rings on a larger scale.
1 shows a turbo machine with the shaft 1 in the machine housing 2 and the compressor rotor 3. On the right and left in the machine housing 2, the common housings 4 and 5 for bearings and seals can be seen. The axial laCer 6 is on one side and the counter bearing 7 is on the opposite side. The shaft 1 mounted in the axial bearing 6 has two collars 8 and 8 'at this point. Of this, the collar 8 on the side facing away from the bearing 6 serves as a sealing collar for the bearing of the sliding ring 9. In the housing 4, the shaft collar 10 is arranged at a distance from the bearing 7, but it is in the immediate vicinity of the same, that is, at a distance which is only is as large as it must be with certainty for reasons of thermal expansion of the shaft.
The sliding rings 9 are stationary and are connected to the housing by an elastic intermediate member 11. In the drawing, this intermediate member 11 is shown as the springs of the metal tube, but it can also consist of elastic plastic.
The contact pressure of the sliding rings 9 can be increased by an additional, resilient support 12, the arrangement of which, however, is not absolutely necessary in every case.
At those points where the sealing oil in the housing with excess pressure against the seal can seep through the same, collecting spaces 13 for seepage oil are arranged in the machine housing 2. Correspondingly, the shaft 1 carries centrifugal rings 14 at these points, which throw off any seepage oil. The collected oil is discharged from these collecting spaces 13 through lines 15.
The conveying and regulating device for the cooling, lubricating and sealing liquid, which forms part of the bearing and seal, consists of a storage vessel 16, an oil pump 17, a pressure line to the bearings 18 with a check valve 19, a riser line 20 with an overflow vessel and a return line 22.
A heat exchanger 23 which cools or heats the oil is - if necessary - arranged in the return line 22.
The overpressure of the barrier fluid against the working medium and the atmosphere required for the function is caused by the static pressure level H between the overflow vessel 21 and the bearings 4 and 5, when the turbo machine is at a standstill and when it is in operation. To increase the pressure during operation, an additional liquid throttle 49 can be built into the riser 20.
Since the seal described hermetically seals the shaft passing through the housing, both against the working fluid of the turbomachine and against the medium into which the shaft protrudes - in Fig. 1, for example, air - the seal is practically suitable for everyone Occurring sealing cases with different media, namely: n) liquid against gas, b) liquid against liquid, c) gas against gas, d) gas against liquid. In an alternative embodiment of the seal in FIG. 1, the sliding ring 9 'is connected to the collar 8' of the shaft by the intermediate member 11 'and rotates with the same.
Under an axial preload, which is imparted to the sliding ring by the resilient support 12 ', the same runs on a sealing surface 50 provided in the bearing housing.
2 shows an arrangement in which the sliding rings 9 are connected to the housing 4 by the movable intermediate member 51.
The intermediate member runs in a cylindrical bore 53 of the housing and - similar to a piston - expediently has a sealing ring 52.
In order to make the circulation of the coolant not only dependent on the passage of the lubricant through the bearing, part of the lubricant supplied to the bearing can be branched off through bypass channels 54 and passed directly through the bearing housing 4.
In the variant according to FIG. 3, the sliding ring 9 'is connected to the shaft 1 by the axially displaceable intermediate member 51' and rotates with it, the seal under tension, caused by the resilient support 12 ", on the sealing surface 50 in the The shaft 1 and the displaceable member 51 'are sealed against one another by the seal 52'.
In FIG. 4, a detail from the arrangement according to FIG. 3 is shown enlarged, namely it shows the sliding ring 9 'resting on the sealing surface 50 in the housing. According to FIG. 4, this sealing surface 50 consists of a counter ring 55 inserted into the housing.
5 and 6 show variant embodiments of the sliding ring 9 or 9 'and the counter ring 55, which can be provided with profiles 54 adapted to one another on the mutual contact surfaces.