DE102009012038A1

DE102009012038A1 - Wellendichtung für eine Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102009012038A1
Application number: DE200910012038
Authority: DE
Inventors: Ludger Alfes; Wolfgang Zacharias
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-11
Also published as: RU2518734C2; EP2406527A1; DE102009012038B4; CN102348915B; UA105655C2; CN102348915A; RU2011140948A; AU2010223401A1; AU2010223401B2; US20120043727A1; US8985587B2; EP2406527B1; WO2010102940A1

Abstract

Eine Wellendichtung für eine Strömungsmaschine, deren Prozessseite (3) gegen die Atmosphäre (4) durch die Wellendichtung (7, 13, 17) abdichtbar ist, weist eine mit einem Prozessgas (10) beaufschlagbare und prozessseitig (3) sperrbare Prozessgasdichtung (7, 13) und eine mit Luft (20) beaufschlagbare und atmosphärenseitig (4) sperrbare Atmosphärendichtung (17) sowie eine um eine Welle (1) der Strömungsmaschine verlaufende Entlüftungskammer (22) auf, die zwischen der Prozessgasdichtung (7, 13) und der Atmosphärendichtung (17) zum Sammeln und Abführen von Prozessgasleckage, die durch die Prozessgasdichtung (7, 13) getreten ist, und Luftleckage, die durch die Atmosphärendichtung (17) getreten ist, angeordnet ist, wobei die Entlüftungskammer (22) an ihrer radial innenliegenden Seite einen Leckageeintritt (23) und an ihrer radial außenliegenden Seite einen Leckageaustritt (24) sowie zwischen dem Leckageeintritt (23) und dem Leckageaustritt (24) Einbauten (26, 27) aufweist, wobei die Einbauten (26, 27) derart dimensioniert sind, dass die Entlüftungskammer (22) eine Flammensperrfunktion bezüglich einer Entzündung der Leckage am Leckageeintritt (23) hat und/oder die Leckage in der Entlüftungskammer (22) nicht zündfähig ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung für eine Strömungsmaschine.
Unter einer Strömungsmaschine wird beispielsweise ein Turboverdichter, ein Expander oder ein Verdrängerverdichter verstanden. Der Turboverdichter, weist ein Gehäuse und einen Rotor auf, der in dem Gehäuse untergebracht ist. Der Rotor weist eine Welle auf, die an ihren Längsenden außerhalb des Gehäuses gelagert ist. Dadurch tritt die Welle an ihren Längsenden durch das Gehäuse, wobei dort die Welle gegen das Gehäuse mit einer Wellendichtung abgedichtet ist. Somit ist die Innenseite des Turboverdichters von der Atmosphäre getrennt. Der Aufbau der Wellendichtung ist herkömmlich derart, dass von der Innenseite des Turboverdichters her betrachtet zuerst eine Gastrennung und dann eine Öltrennung angeordnet sind. Die Innenseite des Turboverdichters, die Prozessseite, wird mittels der Wellendichtung von der Atmosphäre und der Öltrennung vom Lagerbereich getrennt. Die Wellendichtung ist beispielsweise als eine gasgeschmierte Gleitringdichtung ausgeführt, die als eine Tandemdichtung ausgebildet ist. Die Tandemdichtung ist aus zwei gasgeschmierte Gleitringdichtungen aufgebaut, die jeweils einen Gleitring, der an dem Gehäuse befestigt ist, und einen Gegenring aufweisen, der an der Welle befestigt ist. Jeder Gleitring ist seinem zugeordneten Gegenring unter Ausbilden eines Axialspalts axial unmittelbar benachbart angeordnet. Die Ringe sind in der Tandemdichtung derart angeordnet, dass von der Primärdichtung die Prozessseite gegen einen Fackeldruck, abgedichtet ist. Mit der Sekundärdichtung wird die Abtrennung gegen die Atmosphäre bewerkstelligt, wobei die Sekundärdichtung zusätzlich als Redundanz zur Primärdichtung bei Versagen der Primärdichtung vorgesehen ist. Zwischen den beiden Gegenringen wird Sperrgas eingebracht, das zum Sperren der Axialspalte verwendet wird. Um den Lagerbereich abzutrennen, ist als die Öltrennung beispielsweise eine Tertiärdichtung vorgesehen, die als eine Labyrinthdichtung oder eine Kohleringdichtung ausgeführt sein kann. Die Tertiärdichtung ist mit einem Sperrgas beaufschlagt, wodurch ihre Sperrung bewerkstelligt wird.
Als das Sperrgas kann Luft verwendet werden. Beim Betrieb des Turboverdichters vermischt sich die Luft aus dem Sperrgas mit dem Prozessgas, wodurch ein entzündliches Gemisch entstehen kann, wenn das Prozessgas brennbar ist. Das Entstehen des zündfähigen Gasgemisches ist aus Sicherheitsgründen stets zu unterbinden, was beispielsweise in einer Explosionsschutzrichtlinie vorgeschrieben ist. Abhilfe schafft die Verwendung eines Inertgases als das Sperrgas, beispielsweise Stickstoff. Bei dem Betrieb des Turboverdichters in einer petrochemischen Anlage ist der Verbrauch an Stickstoff als das Sperrgas jedoch hoch, so dass der Aufwand der Bereitstellung des Stickstoffs und die damit verbundenen Kosten beträchtlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wellendichtung für eine Strömungsmaschine zu schaffen, wobei die Strömungsmaschine Ressourcen schonend bei niedrigen Kosten betreibbar ist.
Die erfindungsgemäße Wellendichtung für eine Strömungsmaschine, deren Prozessseite gegen die Atmosphäre durch die Wellendichtung abdichtbar ist, weist eine mit einem Prozessgas beaufschlagbare und prozessseitig sperrbare Prozessgasdichtung und eine mit Luft beaufschlagbare und atmosphärenseitig sperrbare Atmosphärendichtung sowie eine um eine Welle der Strömungsmaschine verlaufende Entlüftungskammer auf, die zwischen der Prozessgasdichtung und der Atmosphärendichtung zum Sammeln und Abführen von Prozessgasleckage, die durch die Prozessgasdichtung getreten ist, und Luftleckage, die durch die Atmosphärendichtung getreten ist, angeordnet ist, wobei die Entlüftungskammer an ihrer radial innenliegenden Seite einen Leckageeintritt und an ihrer radial außenliegenden Seite einen Leckageaustritt sowie zwischen dem Leckageeintritt und dem Leckageaustritt Einbauten aufweist, wobei die Einbauten derart dimensioniert sind, dass die Entlüftungskammer eine Flammensperrfunktion bezüglich einer Entzündung der Leckage am Leckageeintritt hat und/oder die Leckage in der Entlüftungskammer nicht zündfähig ist.
Bei der Gefahrenbeurteilung des in der Entlüftungskammer eingeschlossenen, explosiven Gasgemisches gemäß einer Explosionsschutzrichtlinie ist das eingeschlossene Volumen und die zur Kühlung vorhandene Oberfläche von entscheidender Bedeutung. Durch das Vorsehen der Einbauten in der Entlüftungskammer ist diese erfindungsgemäß derart dimensioniert, dass in der Entlüftungskammer das Gasgemisch ein Volumen hat, das klein ist, wodurch das in der Entlüftungskammer sich befindliche Gasgemisch gemäß der Explosionsschutzrichtlinie als nicht zündfähig einzustufen ist. Ferner wird von den Einbauten eine vergrößerte Oberfläche in der Entlüftungskammer bereitgestellt, via die das Gasgemisch in der Entlüftungskammer zusätzlich gekühlt wird. Sollte dennoch eine Zündung in der Entlüftungskammer stattfinden, so wird die dabei sich entwickelnde Wärme von der vergrößerten Oberfläche sofort abgeführt, so dass die Zündung wieder sofort erlischt.
Es ist bevorzugt, dass die Einbauten radial verlaufende Rippen aufweisen, mit denen in der Entlüftungskammer Entlüftungskanäle ausgebildet sind, durch die die Leckage von dem Leckageeintritt zu dem Leckageaustritt strömbar ist. Bevorzugtermaßen ist die Entlüftungskammer als ein zylindrischer Raum um die Welle ausgebildet, in dem die Rippen strahlförmig um die Welle sich erstrecken. Die Umfangserstreckung von wenigstens einigen der Rippen nimmt bevorzugt mit dem Radius zu, wobei die Rippen bevorzugt derart dimensioniert sind, dass über den Radius der Querschnitt der Entlüftungskanäle konstant ist. Alternativ ist es bevorzugt, dass die Umfangserstreckung von wenigstens einigen der Rippen über dem Radius konstant ist.
Der effektiv durchströmte Querschnitt am Leckageeintritt ist bevorzugt in etwa gleich groß dem effektiv durchströmten Querschnitt am Leckageaustritt. Ferner ist es bevorzugt, dass der effektiv durchströmte Querschnitt am Leckageaustritt gleich oder größer dem effektiv durchströmten Querschnitt einer am Leckageaustritt angeschlossenen Leckageabführleitung ist.
Die Rippen an ihren radial innenliegenden Seiten sind bevorzugt abgerundet ausgebildet, so dass das Durchströmen der Leckage durch die Entlüftungskammer verlustarm ist. Damit ist ein zusätzlicher Strömungswiderstand hervorgerufen durch die Rippen und eine damit einhergehende ungewünschte Druckerhöhung unterbunden. Die Anzahl und die Form der Rippen ist bevorzugt so gewählt, dass die Rippen zum Kühlen der Leckage in der Entlüftungskammer geeignet sind.
Bevorzugtermaßen ist die Prozessgasdichtung eine gasgeschmierte Gleitringdichtung und/oder die Atmosphärendichtung eine Labyrinthdichtung oder eine Kohleringdichtung. Die gasgeschmierte Gleitringdichtung ist bevorzugt in Tandemanordnung ausgeführt, wobei die gasgeschmierte Gleitringdichtung eine mit dem Prozessgas beaufschlagbare und prozessseitig sperrbare Primärdichtung und eine in Richtung zur Atmosphäre hinter der Primärdichtung angeordnete, diese absichernde Sekundärdichtung aufweist, wobei zwischen der Sekundärdichtung und der Atmosphärendichtung die Entlüftungskammer angesiedelt ist. Ferner ist es bevorzugt, dass die Einbauten ein Drahtgeflecht aufweisen.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellendichtung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt durch die Ausführungsform der Wellendichtung und
2 einen Querschnitt durch die Entlüftungskammer der Ausführungsform der Wellendichtung aus 1.
Wie es aus 1 und 2 ersichtlich ist, weist ein Turboverdichter eine Turboverdichterwelle 1 und ein Turboverdichtergehäuse 2 auf, wobei die Turboverdichterwelle 1 an ihrem gezeigten Längsende durch das Turboverdichtergehäuse 2 dringt.
Das Innere des Turboverdichters ist von einer Prozessseite 3 gebildet, wohingegen außerhalb des Turboverdichters die Atmosphäre 4 vorherrscht. Prozessseitig herrscht in dem Turboverdichter beim Betrieb ein höherer Druck als der Atmosphärendruck, so dass die Turboverdichterwelle 1 gegen das Turboverdichtergehäuse 2 von der Prozessseite 3 zu der Atmosphäre 4 hin abgedichtet ist. Die Abdichtung wird von einer Labyrinthdichtung 5, die prozessseitig vorgesehen ist, und einer gasgeschmierten Gleitringdichtung 6, die zwischen der Labyrinthdichtung 5 und der Atmosphäre 4 eingebaut ist, bewerkstelligt. Die gasgeschmierte Gleitringdichtung 6 weist eine Primärdichtung 7 auf, die unmittelbar hinter der Labyrinthdichtung 5 angeordnet ist und zum Abdichten des dort vorherrschenden Drucks ausgelegt ist. Die Primärdichtung 7 weist einen Gegenring 8, der auf der Turboverdichterwelle 1 montiert ist, und einen Gleitring 9 auf, der in das Turboverdichtergehäuse 2 eingebaut ist. Der Gegenring 8 und der Gleitring 9 sind axial nebeneinander liegend angeordnet, wobei der Gegenring 8 zwischen der Labyrinthdichtung 5 und dem Gleitring 9 angeordnet ist. Beim Betrieb des Turboverdichters dreht sich der Gegenring 8 mit der Turboverdichterwelle 1, so dass eine Relativbewegung zwischen dem Gegenring 8 und dem Gleitring 9 vorherrscht. Dadurch ist beim Betrieb des Turboverdichters ein Axialspalt zwischen dem Gegenring 8 und dem Gleitring 9 zu erzeugen, so dass der Gegenring 8 mit dem Gleitring 9 nicht in Berührkontakt steht. Der Axialspalt wird durch eine Beaufschlagung der Primärdichtung 7 mit Produktgas erzeugt, das der Primärdichtung 7 radial durch eine in dem Turboverdichtergehäuse 2 vorgesehene Produktgasspülleitung 10 zugeführt wird.
Der Axialspalt hat jedoch zur Folge, dass durch ihn Produktgas als Leckage hindurchtritt und sich in einem Leckageraum 11 stromab der Primärdichtung 7 ansammelt. Das in dem Leckageraum 11 angesammelte Leckagegas wird beispielsweise an eine Fackel durch eine Fackelleitung 12 abgeführt, die in dem Turboverdichtergehäuse 2 entsprechend vorgesehen ist. Den in dem Leckageraum 11 bzw. in der Fackelleitung 12 vorherrschenden Druck dichtet eine Sekundardichtung 13 ab, die an der der Labyrinthdichtung 5 abgewandten Seite der Primärdichtung 7 angeordnet ist. Die Sekundärdichtung 13 ist analog zur Primärdichtung 7 aufgebaut, wobei die Sekundärdichtung 13 einen mit der Turboverdichterwelle 1 verbundenen Gegenring 14 und einen mit dem Turboverdichtergehäuse 2 verbundenen stationären Gleitring 15 aufweist. Der Gegenring 14 und der Gleitring 15 liegen wie der Gegenring 8 und der Gleitring 9 der Primärdichtung 7 nebeneinander unter Ausbildung eines Axialspalts. Stromab der Sekundärdichtung 13 ist ein Leckageraum 16 ausgebildet, indem die durch die Sekundärdichtung 13 strömende Leckage angesammelt wird.
Zum Abtrennen der Atmosphäre 4 von dem Leckageraum 16 ist zwischen der Sekundärdichtung 13 und der Atmosphäre 4 eine Tertiärdichtung 17 vorgesehen, die aus einer prozessseitigen Labyrinthdichtung 18 und einer atmosphärenseitigen Labyrinthdichtung 19 besteht. Zwischen den Labyrinthdichtungen 18, 19 ist eine Luftspülleitung 20 vorgesehen, durch die Luft zum Spülen der Labyrinthdichtungen 18, 19 strömt. Der durch die Luftspülleitung 20 geförderte Luftstrom teilt sich an der Strömungsmaschinenwelle 1 auf, so dass die Luft sowohl die prozessseitige Labyrinthdichtung 18 als auch die atmosphärenseitige Labyrinthdichtung 19 passiert. Der Luftanteil, der die prozessseitige Labyrinthdichtung 18 passiert, strömt in einen Leckageraum 21, der wie der Leckageraum 16 der Sekundärdichtung 13 in eine Entlüftungskammer 22 mündet. Die Entlüftungskammer 22 ist als ein Ringraum zwischen der Sekundärdichtung 13 und der Tertiärdichtung 17 angeordnet, wobei am radial innenliegenden Teil der Entlüftungskammer 22 ein Leckageeintritt 22 vorgesehen ist, durch den von dem Leckageraum 21 der Tertiärdichtung 17 Luft und von dem Leckageraum 16 der Sekundärdichtung 13 Prozessgas in die Entlüftungskammer 23 einströmt. Radial außenseitig ist an der Entlüftungskammer 22 ein Leckagegasaustritt vorgesehen, an dem eine Entlüftungsleitung 29 angeschlossen ist.
Die Entlüftungskammer 22 weist in ihrem Innenraum eine Mehrzahl an Rippen 26, 27 auf, die strahlenförmig radial von dem Leckagegaseintritt 23 zu dem Leckagegasaustritt 24 sich erstrecken. Die Rippen 26, 27 erstrecken sich ebenfalls in Axialrichtung, so dass von den Rippen in der Entlüftungskammer 22 eine Mehrzahl an Entlüftungskanälen 25 zwischen den Rippen 26, 27 ausgebildet ist.
Wie es in 2 gezeigt ist, sind in der Entlüftungskammer 22 acht Rippen 26, 27 vorgesehen, die gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind. Horizontal und vertikal verlaufend sind insgesamt vier gleichdicke Rippen 26 und diagonal verlaufend sind insgesamt vier sich aufweitende Rippen 27 ausgebildet. Die radialen Dickenverläufe der Rippen 26, 27 sind derart gewählt, dass das Gesamtvolumen der Entlüftungskanäle 25 in der Entlüftungskammer 22 derart klein ist, dass gemäß einer Explosionsschutzrichtlinie das in den Entlüftungskanälen 25 sich befindende Gasgemisch, nämlich ein Gasgemisch aus Luft und Prozessgas, als nicht zündfähig einzustufen ist. Dabei ist berücksichtigt, dass der Querschnitt des Leckagegasaustritts 24 an dem Querschnitt der Entlüftungsleitung 29 angepasst ist und der Querschnitt des Leckagegaseintritts 23 gleich groß dem Querschnitt des Leckagegasaustritts 24 ist. Damit ist es unterbunden, dass in der Entlüftungskammer 22 unregelmäßige und somit übermäßig verlustbehaftete Strömungsverhältnisse vorherrschen. Ferner sind an dem Leckagegaseintritt 23 an den Rippen 26, 27 Eintrittsradien 28 vorgesehen, damit der Strömungswiderstand der Rippen 26, 27 möglichst gering ist.

Claims

Wellendichtung für eine Strömungsmaschine, deren Prozessseite (3) gegen die Atmosphäre (4) durch die Wellendichtung (7, 13, 17) abdichtbar ist, mit einer mit einem Prozessgas (10) beaufschlagbaren und prozessseitig (3) sperrbaren Prozessgasdichtung (7, 13) und einer mit Luft (20) beaufschlagbaren und atmosphärenseitig (4) sperrbaren Atmosphärendichtung (17) sowie einer um eine Welle (1) der Strömungsmaschine verlaufenden Entlüftungskammer (22), die zwischen der Prozessgasdichtung (7, 13) und der Atmosphärendichtung (17) zum Sammeln und Abführen von Prozessgasleckage, die durch die Prozessgasdichtung (7, 13) getreten ist, und Luftleckage, die durch die Atmosphärendichtung (17) getreten ist, angeordnet ist, wobei die Entlüftungskammer (22) an ihrer radial innenliegenden Seite einen Leckageeintritt (23) und an ihrer radial außenliegenden Seite einen Leckageaustritt (24) sowie zwischen dem Leckageeintritt (23) und dem Leckageaustritt (24) Einbauten (26, 27) aufweist, wobei die Einbauten (26, 27) derart dimensioniert sind, dass die Entlüftungskammer (22) eine Flammensperrfunktion bezüglich einer Entzündung der Leckage am Leckageeintritt (23) hat und/oder die Leckage in der Entlüftungskammer (22) nicht zündfähig ist.
Wellendichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Einbauten radial verlaufende Rippen (26, 27) aufweisen, mit denen in der Entlüftungskammer (22) Entlüftungskanäle (25) ausgebildet sind, durch die die Leckage von dem Leckageeintritt (23) zu dem Leckageaustritt (24) strömbar ist.
Wellendichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Entlüftungskammer (22) als ein zylindrischer Ringraum um die Welle (1) ausgebildet ist, in dem die Rippen (26, 27) strahlförmig um die Welle (1) sich erstrecken.
Wellendichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Umfangserstreckung von wenigstens einigen der Rippen (27) mit dem Radius zunimmt.
Wellendichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Rippen (27) derart dimensioniert sind, dass über den Radius der Querschnitt der Entlüftungskanäle (25) konstant ist.
Wellendichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die Umfangserstreckung von wenigstens einigen der Rippen (26) über den Radius konstant ist.
Wellendichtung gemäß Anspruch 3 bis 5, wobei der effektiv durchströmte Querschnitt am Leckageeintritt (23) in etwa gleich groß dem effektiv durchströmten Querschnitt am Leckageaustritt (24) ist.
Wellendichtung gemäß Anspruch 7, wobei der effektiv durchströmte Querschnitt am Leckageaustritt (24) gleich oder größer dem effektiv durchströmten Querschnitt einer am Leckageaustritt (24) angeschlossenen Leckageabführleitung (29) ist.
Wellendichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Rippen (26, 27) an ihren radial innenliegenden Seiten abgerundet (28) ausgebildet sind, so dass das Durchströmen der Leckage durch die Entlüftungskammer (22) verlustarm ist.
Wellendichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Anzahl und die Form der Rippen (26, 27) so gewählt ist, dass die Rippen (26, 27) zum Kühlen der Leckage in der Entlüftungskammer (25) geeignet sind.
Wellendichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Gasdichtung (7, 13) eine gasgeschmierte Gleitringdichtung und/oder die Atmosphärendichtung (17) eine Labyrinthdichtung oder eine Kohleringdichtung ist.
Wellendichtung gemäß Anspruch 11, wobei die gasgeschmierte Gleitringdichtung in Tandemanordnung ausgeführt ist, wobei die gasgeschmierte Gleitringdichtung eine mit dem Prozessgas beaufschlagbare und prozessseitig sperrbare Primärdichtung (7) und eine in Richtung zur Atmosphäre hinter der Primärdichtung (7) angeordnete, diese absichernde Sekundärdichtung (13) aufweist, wobei zwischen der Sekundärdichtung (13) und der Atmosphärendichtung (17) die Entlüftungskammer (22) angesiedelt ist.
Wellendichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Einbauten ein Drahtgeflecht aufweisen.