CH673140A5

CH673140A5 -

Info

Publication number: CH673140A5
Application number: CH2637/87A
Authority: CH
Inventors: Jakob Dr Keller
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1986-08-16
Filing date: 1987-07-10
Publication date: 1990-02-15
Also published as: FR2602846A1; US4927327A; FR2602846B1; DE3627778A1; JP2515345B2; JPS6353364A

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft eine berührungsfreie Zentrifugaldichteinrichtung für einen rotierenden Maschinenteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es handelt sich dabei um eine berührungsfreie Dichteinrichtung, die auf aerodynamischen Effekten beruht und deren Hauptanwendungsgebiet Turbomaschinen im allgemeinsten Sinne sind, die sich aber im besonderen für die Verwendung bei Radialverdichtern und Radialturbinen eignen.

Stand der Technik

Bei Turbomaschinen dienen üblicherweise Labyrinthdichtungen dazu, durch Drosselung in Spalten das Entweichen des zu verdichtenden bzw. zu expandierenden Mediums aus den Schaufelkanälen in den Raum möglichst zu unterbinden, der durch das Spiel zwischen dem Verdichter bzw. Turbinenläufer und dem Gehäuse gebildet wird. In diesem Raum herrscht ein geringerer Druck als in den Schaufelkanälen, was die Ursache für die Leckverluste ist.

Die Wirksamkeit von Labyrinthdichtungen, welche diese Leckverluste möglichst klein halten sollen, hängen in erster Linie von den radialen und axialen Spaltbreiten zwischen den Labyrinthkämmen und den Labyrinthkammern und von deren Anzahl ab. Diese Spaltbreiten können aber nicht, wie bei statischen Verhältnissen, beliebig klein ausgeführt werden, sondern sind unter Berücksichtigung der Wärmedehnungsdifferenzen von Welle, Läufer und Dichtkämmen einerseits und dem Gehäuse mit den Dichtkammern andererseits sowie der im Betrieb zu erwartenden grössten Ausschläge infolge Vibrationen der rotierenden Elemente zu dimensionieren. Demgemäss sind mehr oder weniger grosse Leckverluste bei Labyrinthdichtungen unvermeidlich.

Überdies erfordern Labyrinthdichtungen einen nicht unerheblichen Bauaufwand. Bei kleineren Durchmessern der abzudichtenden Spalte werden die Dichtkämme und die nutenförmigen Dichtkammern in der Regel aus dem Vollen gedreht mit entsprechend aufwendiger Zerspannungsarbeit. Dies gilt auch, wenn bei grösseren Durchmessern die Kämme und Kammern vorgegossen sind und nur noch auf Mass fertig bearbeitet werden müssen. Ein weiterer Nachteil von Labyrinthdichtungen besteht darin, dass die Bearbeitung mit sehr engen Toleranzen erfolgen muss und auch der Einbau des Läufers in das Gehäuse grosse Präzision erfordert, damit die errechneten Labyrinthspiele tatsächlich erreicht und ein Anstreifen der Kämme vermieden werden.

Darstellung der Erfindung

Die vorerwähnten Nachteile konventioneller Labyrinthdichtungen sollen mit der vorliegenden Erfindung vermieden werden. Diese betrifft eine berührungsfreie Zentrifugaldichteinrichtung für einen rotierenden Maschinenteil, welcher Rotationsflächen aufweist und in einem Gehäuse rotierend gelagert ist, das gegenüber einem Raum niedrigeren Druckes abzudichten ist, wobei zwischen dem Gehäuse und dem besagten Raum enge Ringspalte mit verschieden grossen Durchmessern bestehen und die dadurch gekennzeichnet ist, dass an den Rotationsflächen Drallstege vorgesehen sind, die sich von den Ringspalten kleineren Durchmessers bis zu den Ringspalten grösseren Durchmessers hin erstrek-ken, und dass für jede mit Drallstegen versehene Rotationsfläche im Gehäuse eine Wirbelkammer vorhanden ist, in welche die Drallstege hineinragen.

Die Vorteile dieser Zentrifugaldichteinrichtung kommen besonders bei kleinen Verdichtern und Turbinen zur Geltung, da bei diesen der Anteil der Leckverluste über die Labyrinthe am Durchsatz des Mediums prozentuell grösser sind als bei grösseren Einheiten. Sie hat femer den Vorteil, dass die Spalte nicht so eng bemessen werden müssen wie bei Labyrinthen, so dass grössere Bearbeitungstoleranzen erlaubt sind. Zudem handelt es sich bei den Spalten um solche, die von einfach herzustellenden, koaxialen kreiszylindrischen Flächen begrenzt werden, wodurch auch die Wärmedehnungen im Spaltbereich nicht so peinlich genau wie bei einem Labyrinth berechnet werden müssen. Es ist nur sicherzustellen, dass in radialer Richtung genügend Spiel vorhanden ist, wobei die radiale Spaltbreite keineswegs kritisch und die achsparallele Länge des Spaltes völlig belanglos ist. Bei Erwärmung können sich die erwähnten kreiszylindrischen Spaltflächen unabhängig voneinander frei verschieben, jegliche Gefahr des Anstreifens der spaltbegrenzenden Flächen ist ausgeschlossen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 ausschnittweise in einem Axialschnitt schematisch den Rotor eines doppelflutigen Radialverdichters mit den für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Teilen des Gehäuses,

Fig. 2 einen Zylinderschnitt gemäss dem in Fig. 1 eingetragenen Schnittverlauf II-II, und die

Fig 3 und 4 zwei Schemaskizzen zur Erklärung des Wirkungsmechanismus, der der Erfindung zugrunde liegt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Bei dem in Flg. 1 dargestellten doppelflutigen Radialverdichter bezeichnet 1 das Verdichtergehäuse und 2 das zweiflutige Verdichterlaufrad. Das durch die zwei symmetrisch liegenden Ansaugkanäle 3 angesaugte, zu verdichtende Medium gelangt in die Schaufelkanäle 4 des Laufrades, die vom Nabenkörper 5, den Laufschaufeln 6 und den Deckwänden 7 begrenzt sind. Die beiden Teilströme 8 des verdichteten Mediums vereinigen sich nach ihrem Austritt aus den Schaufelkanälen der beiden Fluten und verlassen den Verdichter über den spiralförmigen Auslasskanal 9.

.Bei herkömmlichen Radialverdichtern sind die Labyrinthdich5

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tungen am Übergang der äusseren Ansaugkanalbegrenzung in die Deckwände des Laufrades vorgesehen. Bei einflutigen Laufrädern, die nur eine Deckwand aufweisen, befindet sich die zweite Labyrinthdichtung am äusseren Nabenumfang des Laufrades an der den Schaufeln abgewandten Rückseite. Diese Labyrinthdichtung verhindert dort die Leckage in den Wellenraum des Verdichters.

In Hg. 1 sind die für Labyrinthdichtungen vorgesehenen Stellen durch Kreise 10 gekennzeichnet. Anstelle der Labyrinthe ist dort erfindungsgemäss ein Ringspalt von einer radialen Höhe vorgesehen, bei der unter keinen Umständen ein Anstreifen des Läufers am Gehäuse stattfinden kann.-Die achsparallele Länge des Spaltes ist dabei nebensächlich.

Weitere körperliche Merkmale der Dichteinrichtung sind Wirbelkammern 11 sowie Drallstege 12, die sich in einem Meridianschnitt des Läufers 2 und über etwa die Länge der Deckwände 7 in die jeweilige Wirbelkammer 11 hinein erstrecken. Sie sind vorzugsweise gleichmässig über die Deckwände 7 verteilt angeordnet und ihre Anzahl und Orientierung können, wie in Hg. 2 dargestellt, mit der Anzahl und Richtung der Laufschaufeln 6 übereinstimmen. Davon abweichend können sie aber auch beispielsweise nur in der Verlängerung jeder zweiten Laufschaufel oder zwischen je zwei benachbarten Laufschaufeln vorgesehen sein.

Die Wirkungsweise einer solchen Dichteinrichtung beruht auf einer Drallübertragung durch die Drallstege 12 des Läufers auf das Medium in der Wirbelkammer 11. Die weitere Erläuterung folgt unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4. In beiden Figuren bezeichnet 13 einen Ausschnitt einer Deckwand in Form eines Kreisringsektors. Diese Deckwände 13 entsprechen der Deckwand 7 nach Fîg. 1. Die in die Wirbelkammern 14 hineinragenden Drallstege 15 bzw. 16 entsprechen den obenerwähnten Drallstegen 12. Man erkennt, dass die Stege 16 breiter sind als die Stege 15. Abgesehen von der Drehzahl, den Eigenschaften des Mediums und den Abmessungen der Wirbelkammer bestimmen die Breiten b der Drallstege die Drallübertragung auf das Medium.

Bei schwacher Drallzufuhr, beispielweise bei kurzen Breiten bi der Drallstege gemäss Fig. 3, induziert ein mit der Deckwand 13 verbundener Läufer in der Wirbelkammer eine Sekundärströmung in Gestalt einer wandnahen Wirbelströmung 17 in radial-axialen Ebenen. Bis zu einem oberen Grenzwert der Breite bi bleibt dabei der Hauptteil des Mediums in der Wirbelkammer fast stationär, d. h. dieser Hauptteil dreht sich in

Umfangsrichtung mit einer wesentlich geringeren Winkelgeschwindigkeit als die Deckwand 13.

Bei Steglängen b2 grösser als der obere Grenzwert von bt wird dem Medium in der Wirbelkammer ein so starker Drall erteilt, 5 dass die Grenzschichtdissipation an den Wänden der Wirbelkammer nicht mehr in der Lage ist, den erzeugten Drall abzubauen. Sobald dies eingetreten ist, ändert sich das Strömungsfeld in der Wirbelkammer völlig. Die Teilchen des Mediums werden durch diesen starken Drall auf Umlaufbahnen, d, h. orbital stabilisiert, io Der Hauptteil des Mediums in der Wirbelkammer bewegt sich dabei wie ein fester Körper mit dem Läufer in azimutaler Richtung und die radial-axiale Drehbewegung von Teilchen des Mediums mit deutlich kleinerer Umfangsgeschwindigkeit reduziert sich auf eine dünne Grenzschicht mit der Dicke d. 15 Der Unterschied zwischen den beiden Fallen besteht nun darin, dass bei den Verhältnissen gemäss Fig. 3 an den Stellen A und B fast der gleiche statische Druck herrscht, wogegen bei dem in Fig. 4 dargestellten Fall zwischen den Stellen A und B fast die volle statische Druckdifferenz auftritt, die dem radialen Druckgra-20 dienten der Drehbewegung des Läufers entspricht.

Bei ausreichender Breite b2 der Drallstege 7 bzw. 16 können diese in der Wirbelkammer einen Wirbel antreiben, der wie ein fester Körper mit dem Läufer rotiert. Daraus folgt, dass der radiale Druckanstieg in den Schauflkanälen 4 des Verdichterlauf-25 rades nach Fig. 1 nicht grösser ist als der radiale Druckanstieg in der Wirbelkammer 11 gemäss Fîg. 1 bzw in der Wirbelkammer 14 gemäss Fig. 4. Somit wird eine Leckströmung über die Spalten an den Stellen A und B nach Fig. 4 und entsprechend an den Stellen 10 gemäss Fig. 1, wo üblicherweise Labyrinthdichtungen vor-30 gesehen sind, und an den Spalten 18 zwischen dem äusseren Umfang der Deckwände 7 des Verdichterlaufrades 2 und dem Verdichtergehäuse 1 fast völlig unterbunden werden. Ausserdem erreichen in diesem Falle die Grenzschichtverluste in der Wirbelkammer ein Minimum.

35 Praktisch wird man die zur Erreichung dieses Zustandes erforderliche Breite b2 der Drallstege versuchsmässig durch Messung der Drücke in der Wirbelkammer an den Stellen 10 und 18 ermitteln, wobei bei der Betriebsdrehzahl Läufer mit verschieden breiten Stegen untersucht werden. Um die Ventilationsverluste mög-40 liehst gering zu halten, wird man die geringstmöglichste Breite 2 der Drallstege 12 ermitteln, bei dem die Wirbelströmung mit dem beschriebenen günstigen Druckgradienten auftritt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Beriihrangsfreie Zentrifugaldichteinrichtung für einen rotierenden Maschinenteil (2), welcher Rotationsflächen (7) aufweist und in einem Gehäuse (1) rotierend gelagert ist, das gegenüber einem Raum niedrigeren Druckes abzudichten ist, wobei zwischen dem Gehäuse (1) und dem besagten Raum enge Ringspalte (10; 18) mit verschieden grossen Durchmessern bestehen,

dadurch gekennzeichnet, dass an den Rotationsflächen (7) Drallstege (12) vorgesehen sind, die sich von den Ringspalten (10) kleineren Durchmessers bis zu den Ringspalten (18) grösseren Durchmessers hin erstrecken, und dass für jede mit Drallstegen (12) versehene Rotationsfläche (7) im Gehäuse (1) eine Wirbel-kammer (11) vorhanden ist, in welche die Drallstege (12) hineinragen.

2. Zentrifugaldichteinrichtung nach Anspruch 1 bei einem Radialverdichter mit einem zweiflutigen Verdichterlaufrad (2), wobei die Rotationsflächen zur Aufnahme der Drallstege von zwei Deckwänden (7) des Verdichterlaufrades (2) gebildet werden und die Deckwände (7) zusammen mit dem Nabenkörper (5) und den Laufschaufeln (6) die Schaufelkanäle (4) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallstege (12) rechteckigen Querschnitt haben und gleichmässig über den Umfang der Deckwände (7) verteilt angeordnet sind, dass sich die Drallstege (12) in radial-axialen Ebenen vom inneren Ringspalt.(lO) kleineren Durchmessers bis zum äusseren Ringspalt (18) grösseren Durchmessers erstrecken, und dass die Wirbelkammer (11) kegelstumpf-förmig ist und ihre Erzeugenden im wesentlichen parallel zur Aussenfläche der Deckwände verlaufen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Zentrifugaldichteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallstege (12) Verlängerungen der Laufschaufeln (6) über die beiden Deckwände (7) hinaus bilden.