DE102009004035B4

DE102009004035B4 - Überwachung einer Abdichtungsanordnung, insbesondere eines Gaskompressors oder -expanders

Info

Publication number: DE102009004035B4
Application number: DE102009004035.8A
Authority: DE
Inventors: Edgar Prellwitz
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2017-05-11
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: US8540249B2; US20100171269A1; CN101793326A; ITRM20090630A1; JP2010159752A; IT1396740B1; CN101793326B; DE102009004035A1; JP5572395B2

Abstract

Dichtungsanordnung zum Abdichten einer Welle (2) gegen ein stehendes Teil (1), mit einem Wellendichtring (3) mit einer Wellenleiterflächenanordnung, einem Statordichtring (4) mit einer von der Wellenleiterflächenanordnung elektrisch isolierten Statorleiterflächenanordnung, und einer kapazitiven Messeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorleiterflächenanordnung eine erste und wenigstens eine hiervon elektrisch isolierte zweite Statorleiterfläche (8.1, 8.2) und die Wellenleiterflächenanordnung wenigstens eine Wellenleiterfläche (9) aufweist und die Messeinrichtung eine Einrichtung zur Erfassung einer elektrischen Kapazität (C) zwischen zwei Statorleiterflächen (8.1, 8.2) der Statorleiterflächenanordnung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine überwachbare Dichtungsanordnung zum Abdichten einer Welle gegen ein stehendes Teil mit einem Wellendichtring, einem Statordichtring und einer kapazitiven Messeinrichtung, ein Verfahren zum Überwachen einer solchen Dichtungsanordnung, sowie eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Gaskompressor oder -expander, mit einer solchen Dichtungsanordnung.
Insbesondere in Strömungskraft- oder -arbeitsmaschinen, beispielsweise in Gaskompressoren bzw. -expandern, müssen eine oder mehrere im Betrieb rotierende Wellen gegen ein stehendes Teil, beispielsweise ein Gehäuse abgedichtet werden, um ein Hochdruck- gegen ein Niederdruckvolumen abzudichten. Hierzu sind Gleitdichtungen bekannt, bei denen im Betrieb zwischen einem bewegten Wellendichtring und einem Statordichtring ein Dichtspalt ausgebildet ist, welcher ständig von Arbeitsmedium durchströmt wird, so dass ein dünner Gasfilm im Dichtspalt Hochdruck- und Niederdruckvolumen gegeneinander abdichtet.
Um eine solche Dichtungsanordnung zu überwachen, schlägt die US 4 643 437 A vor, im Statorring ein Thermoelement anzuordnen, welches die Breite des Dichtspaltes erfasst.
Die DE 197 23 327 A1 schlägt für Flüssigdichtungen, bei denen sich im Dichtspalt ein Schmierfilm ausbildet, unter anderem eine kapazitive Messeinrichtung vor, bei der ein Sensor in einem Wellendichtring und ein Statordichtring je eine Plattenelektrode eines Plattenkondensators bilden. Nachteilig erfordert diese Lösung für Flüssigdichtungen einen Messabgriff an dem rotierenden Wellendichtring.
Die DE 103 14 924 A1 schlägt eine Gas- oder Flüssigdichtung mit einem Depot zur Aufnahme von Leckage vor, dessen Breite durch einen beidseitig in einem Statorring ausgebildeten Plattenkondensator erfasst wird. Ein Dichtspalt zwischen einem bewegten Wellen- und einem Statordichtring ist nicht vorgesehen.
Weiterhin wird auf die DE 100 27 576 A1 und die DE 10 2006 028 154 A1 als relevanter Stand der Technik verwiesen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Überwachung einer gattungsgemäßen Abdichtungsanordnung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Dichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Anspruch 9 stellt eine Strömungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung unter Schutz, die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung zum Abdichten einer Welle, insbesondere eines Rotors einer Strömungsmaschine, gegen ein stehendes Teil wie beispielsweise ein Gehäuse, Lager oder dergleichen, umfasst einen Wellendichtring und einen Statordichtring.
Der Wellendichtring kann dreh- und axialfest mit der Welle verbunden, beispielsweise als Wellenbund integral mit dieser ausgebildet, lösbar mit der Welle verbunden, beispielsweise verschraubt, oder unlösbar mit der Welle verbunden, beispielsweise verklebt sein. Auch der Statordichtring kann dreh- und axialfest mit dem festen Teil verbunden, beispielsweise als Absatz integral mit diesem ausgebildet, lösbar mit dem Teil verbunden, beispielsweise verschraubt, oder unlösbar mit dem Teil verbunden, beispielsweise verklebt sein.
Gleichermaßen können Wellen- und/oder Statordichtring drehfest, aber axial beweglich befestigt, beispielsweise mittels Passfeder, Keilwelle oder dergleichen geführt und dann vorzugsweise gegen den anderen von dem Wellen- und Statordichtring, beispielsweise hydraulisch, pneumatisch oder durch eine Federeinrichtung, vorgespannt sein, so dass sich der Dichtspalt unter einem Kräftegleichgewicht zwischen dem ihn durchströmenden Gasfilm und der Vorspannung einstellt. In einer bevorzugten Weiterbildung kann der Dichtspalt in Abhängigkeit von einer erfindungsgemäß erfassten Breite des Dichtspaltes aktiv geregelt werden, indem beispielsweise Wellen- und/oder Statordichtring gegen den anderen von dem Wellen- und Statordichtring mittels eines Aktuators zugestellt werden wie dies in der genannten US 46 43 437 A beschrieben ist, auf deren Offenbarung diesbezüglich Bezug genommen wird.
Wellen- und/oder Statordichtring können schließlich auch dreh- und axialbeweglich geführt sein. Beispielsweise kann ein dreh- und axialbeweglicher Wellendichtring zwischen einem Wellenbund und einem axial vorgespannten Statordichtring angeordnet und von diesem gegen den Wellenbund gespannt sein.
An, vorzugsweise innerhalb des Wellendichtringes ist eine Wellenleiterflächeanordnung mit einer oder mehreren Wellenleiterflächen angeordnet, die als Kondensatorelektroden dienen. An, vorzugsweise innerhalb des Statordichtringes ist eine Statorleiterflächenanordnung mit einer ersten und einer hiervon elektrisch isolierten zweiten Statorleiterfläche angeordnet, die von der Wellenleiterflächeanordnung elektrisch isoliert sind und ebenfalls als Kondensatorelektroden dienen. Als Leiterflächen werden vorliegend elektrisch leitfähige Flächen, beispielsweise aus Metall, Kohlenstoff oder dergleichen bezeichnet.
Durch eine kapazitive Messeinrichtung kann nun eine elektrische Kapazität zwischen wenigstens zwei Statorleiterflächen der Statorleiterflächenanordnung erfasst werden. Die erste Statorleiterfläche und die hiervon elektrisch isolierte Wellenleiterfläche bilden somit einen ersten Kondensator, die Wellenleiterfläche und die gegenüber beiden elektrisch isolierte zweite Statorleiterfläche einen zweiten Kondensator, der mit dem ersten Kondensator in Serien geschaltet ist, so dass die erste und die zweite Statorleiterfläche Anschlüsse der Serienschaltung bilden, die einfach abgreifbar sind. Ändert sich die Breite des Dichtspaltes und damit der axiale Abstand zwischen Wellen- und Statordichtring, so ändert sich auch der Abstand zwischen erste Statorleiterfläche und Wellenleiterfläche sowie zwischen Wellenleiterfläche und zweiter Statorleiterfläche. Damit ändern sich auch die Kapazitäten von erstem und zweitem Kondensator und somit die über die Anschlüsse abgreifbare Kapazität der Serienschaltung. Vorteilhaft bewirkt dabei eine Abstandsänderung eine gleichgerichtete Kapazitätsänderung in beiden Kondensatoren. Eine Vergrößerung des Dichtspaltes, aber auch ein Bruch des Wellen- oder Statordichtringes, und damit eine Verschlechterung der Dichtung kann so beispielsweise anhand einer Verringerung der erfassten Kapazität der Serienschaltung erkannt werden.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ergänzen sich zwei oder mehr Leiterflächen der Stator- und/oder der Wellenleiterflächenanordnung im Wesentlichen zu je einem Kreisring. Vorteilhaft kann damit die Dichtung im Wesentlichen über den gesamten Wellenumfang erfasst werden. Zudem lassen sich solche kreisringsegmentförmigen Leiterflächen einfach herstellen, indem beispielsweise ein vollständiger Kreisring durch zwei oder mehr isolierende Stege unterbrochen wird. Außerdem benötigen solche Leiterflächenanordnungen aus kreisringsegmentförmigen Leiterflächen wenig radialen Bauraum.
Zusätzlich oder alternativ können zwei Leiterflächen der Stator- und/oder Wellenleiterflächenanordnung auch jeweils konzentrisch zueinander bzw. zur Drehachse der Welle angeordnet sein. Auch hierdurch kann die Dichtung im Wesentlichen über den gesamten Wellenumfang erfasst werden.
Eine Leiterflächeanordnung kann auf der dem anderen Dichtring zugewandten Gleitfläche des einen Dichtringes angeordnet, beispielsweise als dünner Metallfilm aufgebracht, insbesondere aufgedampft sein. Um die Dichtung der Gleitflächen nicht zu beeinträchtigen, kann die Leiterflächeanordnung auch im Wesentlichen eben mit der Gleitfläche angeordnet sein, indem beispielsweise ein Metallfilm in einer Nut angeordnet und vorzugsweise anschließend zusammen mit der übrigen Gleitfläche spanend bearbeitet, beispielsweise geschliffen, geläppt und/oder poliert wird. Um besonders eine homogene Gleitfläche zu realisieren und die Leiterflächeanordnung vor mechanischen Beeinträchtigungen zu schützen, ist es besonders bevorzugt, diese unterhalb der Gleitfläche des entsprechenden Dichtringes anzuordnen. Hierzu können beispielsweise ein entsprechender Metallring bzw. Segmente hiervon zusammen mit einem vorzusgweise gesinterten Grundkörper urgeformt oder nachträglich entweder von der der Gleitfläche gegenüberliegenden Stirnseite in entsprechende Ausnehmungen eingeführt oder von der Gleitfläche aus in Ausnehmungen eingeführt werden, welche anschließend verschlossen werden. Ein solcher Grundkörper ist vorzugsweise aus einem nicht leitenden Material, beispielsweise Silizumcarbid hergestellt, um die einzelnen Leiterflächen der jeweiligen Leiterflächenanordnung gegeneinander elektrisch zu isolieren.
Eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung ist insbesondere zur Abdichtung eines Rotors eines Gaskompressors oder -expanders geeignet, bei der aufgrund des ständig von teilweise unter hohem Druck stehenden Gas durchströmten Dichtspaltes die Überwachung der Dichtung von besonderer Bedeutung, aufgrund der teilweise hohen Drehzahlen ein Abgriff an einem rotierenden Dichtring jedoch problematisch ist.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1: einen Teil eines Gasexpanders mit einer Dichtungsanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt;
2: einen Wellendichtring im Querschnitt längs der Linie II-II in 1;
3: einen Statordichtring im Querschnitt längs der Linie III-III in 1; und
4: ein elektrisches Ersatzschaltbild der in Serie geschalteten Kondensatoren, die durch die Leiterflächenanordnungen in dem Wellendichtring und dem Statordichtring gebildet werden.
1 zeigt im Längsschnitt einen Teil eines Gehäuses 1 eines Gaskompressors, in dem eine Welle in Form eines Rotors 2 drehbar aufgenommen ist. Eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung dichtet ein Hochdruckvolumen 6 im Inneren des Gaskompressors gegen ein Niederdruckvolumen 7 ab. Hierzu ist zwischen den einander zugewandten Gleitflächen eines Wellendichtringes 3 und eines Statordichtringes 4 ein dünner Dichtspalt ausgebildet, welcher im Betrieb ständig von einem dünnen Gasfilm durchströmt wird. Der Dichtspalt wirkt als Drossel und verhindert so einen signifikanten Druckverlust im Hochdruckvolumen 6.
Der Wellendichtring 3 ist in einem Wellenbund des Rotors 2 aufgenommen und mit diesem verschraubt (nicht dargestellt), so dass er mit dem Rotor 2 dreh- und axialfest verbunden ist und zusammen mit diesem relativ zum Gehäuse 1 rotiert.
Der Statordichting 4 ist in einer kreisringförmigen Nut des Gehäuses axial verschieblich und drehfest (nicht dargestellt) geführt. Er wird durch eine Feder 5 gegen den Wellendichtring 3 vorgespannt, so dass sich der Dichtspalt im Betrieb unter dem Kräftegleichgewicht des ihn durchströmenden Gasfilms und der Feder 5 auf eine vorgegebene Breite einstellt.
Zur Überwachung dieser Breite des Dichtspaltes, i. e. des axialen Abstandes der einander zugewandten Gleitflächen von Wellen- und Statordichtring 3, 4 ist in dem Wellendichtring 3 eine kreisringförmige Wellenleiterfläche 9 (vgl. 2), im Statordichting 4 eine Statorleiterflächenanordnung mit einer ersten Statorleiterfläche 8.1 und einer hiervon elektrisch isolierten zweiten Statorleiterfläche 8.2 ausgebildet, die sich mit der ersten Statorleiterfläche 8.1 im Wesentlichen zu einem Kreisring ergänzt (vgl. 3). Die Leiterflächen 8.1, 8.2, 9 aus Metall werden beim Urformen der Dichtringe 3, 4 in deren elektrisch isolierende Grundkörper mit eingeformt, so dass sie unterhalb der einander zugewandten Gleitflächen angeordnet und voneinander elektrisch isoliert sind.
Die beiden Statorleiterflächen 8.1, 8.2 sind über einen Axialschleifkontakt zur Kompensation der Axialbewegung des Statordichtringes 4 durch eine Leitung 10 von außen elektrisch abgreifbar, so dass eine Kapazität C zwischen der ersten und der zweiten Statorleiterfläche 8.1, 8.2 erfassbar ist.
Wie insbesondere aus dem Ersatzschaltbild der 4 erkennbar, bildet die erste Statorleiterfläche 8.1 mit der ihr gegenüberliegenden, gegen sie elektrisch isolierten Wellenleiterfläche 9 einen ersten Kondensator C1, der mit einem zweiten Kondensator C2 in Serie geschaltet ist, der von der Wellenleiterfläche 9 und der ihr gegenüberliegenden, gegen sie elektrisch isolierten zweiten Statorleiterfläche 8.2 gebildet wird. Die Kapazität beider Kondensatoren und damit auch die Kapazität C der Serienschaltung, die an den Leitungen 10 zwischen den beiden Statorleiterflächen 8.1, 8.2 abgegriffen wird, verringert sich bei einer Vergrößerung des Dichtspaltes oder einem Bruch eine Dichtringes, so dass auf Basis dieser Kapazität C die Dichtung überwacht werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse (festes Teil)
2: Welle (Rotor)
3: Wellendichtring
4: Statordichtring
5: Feder
6: Hochdruckvolumen
7: Niederdruckvolumen
8.1: erste Statorleiterfläche
8.2: zweite Statorleiterfläche
9: Wellenleiterfläche
10: elektrische Anschlussleitung
C1, C2, C: Kondensator, Kapazität

Claims

Dichtungsanordnung zum Abdichten einer Welle (2) gegen ein stehendes Teil (1), mit einem Wellendichtring (3) mit einer Wellenleiterflächenanordnung, einem Statordichtring (4) mit einer von der Wellenleiterflächenanordnung elektrisch isolierten Statorleiterflächenanordnung, und einer kapazitiven Messeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorleiterflächenanordnung eine erste und wenigstens eine hiervon elektrisch isolierte zweite Statorleiterfläche (8.1, 8.2) und die Wellenleiterflächenanordnung wenigstens eine Wellenleiterfläche (9) aufweist und die Messeinrichtung eine Einrichtung zur Erfassung einer elektrischen Kapazität (C) zwischen zwei Statorleiterflächen (8.1, 8.2) der Statorleiterflächenanordnung aufweist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Leiterflächen (8.1, 8.2) der Stator- und/oder Wellenleiterflächenanordnung sich im Wesentlichen zu einem Kreisring ergänzen.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Leiterflächen der Stator- und/oder Wellenleiterflächenanordnung konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterflächenanordnung unterhalb einer dem Statordichtring (4) zugewandten Gleitfläche des Wellendichtringes (3) angeordnet ist.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorleiterflächenanordnung unterhalb einer dem Wellendichtring (3) zugewandten Gleitfläche des Statordichtringes (4) angeordnet ist.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wellendichtring (3) und/oder Statordichtring (4) einen Grundkörper aus einem nicht leitenden Material ausweisen, welches Silizumcarbid enthält.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Statordichtring (4) gegenüber dem stehenden Teil dreh- und/oder axialfest ist.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellendichtring (3) gegenüber der Welle dreh- und/oder axialfest ist.
Strömungsmaschine, ausgeführt als Gaskompressor oder -expander, mit einem Gehäuse (1), einer Welle (2) und einer Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Abdichten der Welle (2) gegen das Gehäuse, wobei im Betrieb zwischen Wellendichtring (3) und Statordichtring (4) ein von Arbeitsmedium durchströmter Dichtspalt ausgebildet ist.
Verfahren zum Überwachen einer Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei im Betrieb eine elektrischen Kapazität (C) zwischen zwei Statorleiterflächen (8.1, 8.2) der Statorleiterflächenanordnung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschlechterung der Dichtung anhand einer Verringerung der erfassten Kapazität erkannt wird.