DE102009015863A1

DE102009015863A1 - Gasdichtungseinrichtung für eine Turbomaschine mit Radiallagerfunktion

Info

Publication number: DE102009015863A1
Application number: DE200910015863
Authority: DE
Inventors: Dieter Nass; Marcus Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-04-02
Also published as: DE102009015863B4

Abstract

Eine Gasdichtungseinrichtung für eine Turbomaschinenwelle weist eine Gleitringdichtung, mit der die Turbomaschinenwelle gegen ein Turbomaschinengehäuse abdichtbar ist und die mit einem der Gasdichtungseinrichtung zugeführten Betriebsgas schmierbar sowie sperrbar ist, und ein Radialgaslager auf, mit dem die Trubomaschinenwelle in dem Turbomaschinengehäuse radial lagerbar ist und das mit dem Betriebsgas schmierbar ist, wobei die Gasdichtungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass das Betriebsgas zuerst das Radiallager und dann die Gleitringdichtung durchströmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasdichtungseinrichtung für eine Turbomaschinenwelle, mit der die Turbomaschinenwelle gegen ein Turbomaschinengehäuse abdichtbar ist, wobei mit der Gasdichtungseinrichtung die Turbomaschinenwelle in dem Turbomaschinengehäuse radial lagerbar ist.
Eine Turbomaschine, beispielsweise ein 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 an ihren Längsenden die Welle durch das Gehäuse, wobei dort die Welle gegen das Gehäuse mit einer Gasdichtung abgedichtet ist. Dadurch wird die Prozessseite innerhalb des Turboverdichters von der Atmosphäre getrennt, wobei der Aufbau der Gasdichtung herkömmlich derart ist, dass von der Innenseite des Turboverdichters her betrachtet als erstes die Gasdichtung und dann die Öltrennung für Lager und als letztes das Lager selbst angeordnet sind. Die Gasdichtung trennt die Atmosphäre von dem im Inneren des Turboverdichters sich befindlichen Prozessgas, wobei die Öltrennung den Gasraum vom Ölbereich trennt. Eine Gasdichtung ist beispielsweise als eine gasgeschmierte Gleitringdichtung ausgeführt. Die gasgeschmierte Gleitringdichtung ist beispielsweise als eine Doppeldichtung ausgebildet, die aus zwei gasgeschmierten Gleitringdichtungen aufgebaut ist. Jede gasgeschmierte Gleitringdichtung weist einen Primärring, der an dem Gehäuse befestigt ist, und einen Gegenring auf, der an der Welle befestigt ist. Jeder Primärring ist seinem zugeordneten Gegenring axial unmittelbar benachbart angeordnet, so dass zwischen den beiden Primärring-Gegenring-Paaren jeweils ein radial verlaufender Dichtungsspalt ausgebildet ist. Die Ringe sind in der Doppeldichtung derart angeordnet, dass die beiden Gegenringe aneinander zugewandt und die beiden Primärringe aneinander abgewandt angeordnet sind. Zwischen die beiden Gegenringen wird Sperrgas eingebracht, das zum Sperren der Dichtungsspalte verwendet wird. Außerhalb des Gehäuses ist der ölgeschmierte Lagerbereich angeordnet. Ein herkömmliches Lager ist beispielsweise in einer ölgeschmierten Kippsegmentbauweise ausgeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Gasdichtungseinrichtung zu schaffen, mit der auf eine ölgeschmierte Lagerung verzichtet werden kann und die Turbomaschine eine kompaktere Bauweise aufweist.
Die erfindungsgemäße Gasdichtungseinrichtung für eine Turbomaschinenwelle weist eine Gleitringdichtung, mit der die Turbomaschinenwelle gegen ein Turbomaschinengehäuse abdichtbar ist und die mit einem der Gasdichtungseinrichtung zugeführten Betriebsgas schmierbar sowie sperrbar ist, und ein Radialgaslager auf, mit dem die Turbomaschinenwelle in dem Turbomaschinengehäuse radial lagerbar ist und das mit dem Betriebsgas schmierbar ist, wobei die Gasdichtungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass das Betriebsgas zuerst das Radiallager und dann die Gleitringdichtung durchströmt.
Somit sind in der erfindungsgemäßen Gasdichtungseinrichtung sowohl die Abdichtfunktion in der Gleitringdichtung als auch die Lagerfunktion in dem Radialgaslager vereint, wobei zum Betrieb der Gleitringdichtung und des Radialgaslagers das Betriebsgas verwendet wird. Dadurch ist eine zusätzliche ölgeschmierte Lagerung der Turbomaschinenwelle verzichtbar, wodurch für die Lagerung der Turbomaschinenwelle die Ölschmierung verzichtbar ist. Aufgrund der Kombination von Lagerungs- und Abdichtfunktion in einer Einheit verringert sich der Lagerabstand der Turbomaschinenwelle verglichen mit einer herkömmlich ölgeschmiert gelagerten Turbomaschinenwelle.
Das Radialgaslager und die Gleitringdichtung sind bevorzugt axial hintereinander liegend angeordnet und bevorzugt ist zwischen dem Radiallager und der Gleitringdichtung eine Betriebsgaszwischenpassage zum Führen des Betriebsgases von dem Radialgaslager zu der Gleitringdichtung vorgesehen. Ferner ist es bevorzugt, dass die Gasdichtungseinrichtung eine Tragbuchse aufweist, die auf die Turbomaschinenwelle aufziehbar ist und um die konzentrisch ein an dem Turbomaschinengehäuse abgestützter Radialgaslagerring unter Ausbilden eines Lagerspalts zwischen dem Radialgaslagerring und der Tragbuchse angeordnet ist, so dass, wenn die Gasdichtungseinrichtung auf die Turbomaschinenwelle und in das Turbomaschinengehäuse montiert ist sowie, wenn die Turbomaschinenwelle rotiert, ein tragender Gasfilm von dem Betriebsgas in den Lagerspalt ausgebildet ist. Die Gleitringdichtung weist bevorzugt einen Gegenring auf, der an der Tragbuchse fest abgestützt ist. Die Tragbuchse weist bevorzugt einen am Außenumfang umlaufenden Flansch auf, an dem der Gegenring an dem Flansch in Axialrichtung abgestützt ist, wobei der Flansch axial zwischen dem Radialgaslagerring und dem Gegenring angeordnet ist. Der Flansch ist bevorzugt im Axialabstand zu dem Radiallagerring angeordnet, so dass zwischen dem Flansch und dem Radialgaslagerring die Betriebsgaszwischenpassage ausgebildet ist.
Die Gasdichtungseinrichtung weist bevorzugt eine Gehäusebuchse auf, die konzentrisch um die Tragbuchse angeordnet und mit der die Gasdichtungseinrichtung in das Turbomaschinengehäuse einbaubar ist, wobei der Radialgaslagerring an der Innenseite der Gehäusebuchse radial abgestützt ist. Die Gleitringdichtung weist ferner bevorzugt einen Primärring auf, der axial unmittelbar neben dem Gegenring angeordnet ist und in Axialrichtung zu dem Gegenring hin vorgespannt ist, so dass, wenn die Gasdichtungseinrichtung auf die Turbomaschinenwelle und in das Turbomaschinengehäuse montiert ist sowie die Turbomaschinenwelle rotiert, ein tragender Gasfilm von dem Betriebsgas zwischen dem Primärring und dem Gegenring ausgebildet ist. Außerdem weist bevorzugt die Gleitringdichtung einen Abstützring auf, der axial neben dem Primärring angeordnet ist und an dem der Primärring mit einem Vorspannmittel in Axialrichtung abgestützt ist, wobei der Abstützring seinerseits an der Gehäusebuchse abgestützt ist. Der Radialgaslagerring und der Abstützring sind bevorzugt axial aneinander abgestützt.
Die Gasdichtungseinrichtung weist bevorzugt eine erste Gleitringdichtung mit einem ersten Primärring und einen dazugehörigen ersten Gegenring und eine zweite Gleitringdichtung mit einem zweiten Primärring und einen dazugehörigen zweiten Gegenring auf, wobei die erste Gleitringdichtung und die zweite Gleitringdichtung in einer Doppelgasdichtung angeordnet sind. Der Radialgaslagerring weist bevorzugt axial mittig einen radial sich erstreckenden und in den Lagerspalt mündenden Betriebsmittelkanal auf, durch den das Betriebsgas von außerhalb des Radialgaslagerrings in den Lagerspalt bringbar ist.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasdichtungseinrichtung anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert: Es zeigt 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Gasdichtungseinrichtung, die auf eine Turboverdichterwelle und in ein Turboverdichtergehäuse montiert ist.
In 1 ist eine Turboverdichterwelle 1 und ein Turboverdichtergehäuse 2 eines Turboverdichters gezeigt, wobei ein Ende der Turboverdichterwelle 1 ausschnittsweise dargestellt ist. An der Turboverdichterwelle 1 ist eine Wellenstufe 3 ausgebildet, auf der eine Gasdichtungseinrichtung 4 montiert ist. Die Gasdichtungseinrichtung 4 ist vorgesehen, die Prozessseite 5 von der Lagerseite 6 des Turboverdichters zwischen der Turboverdichterwelle 1 und dem Turboverdichtergehäuse 2 abzudichten.
Die Gasdichtungseinrichtung 4 weist eine erste Gleitringdichtung 7 und eine zweite Gleitringdichtung 8 auf. Die Gleitringdichtungen 7, 8 sind spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet, so dass im Folgenden lediglich auf die erste Gleitringdichtung 7 Bezug genommen wird. Alle nur im Zusammenhang mit der ersten Gleitringdichtung 7 genannten Merkmale sind auch bei der zweiten Gleitringdichtung 8 vorhanden.
Ferner weist die Gasdichtungseinrichtung 4 axial zwischen der ersten Gleitringdichtung 7 und der zweiten Gleitringdichtung 8 ein Radialgaslager 9 auf. Außerdem weist die Gasdichtungseinrichtung 4 eine Gehäusebuchse 10 auf, die an ihrem außenseitigen Umfang in das Turboverdichtergehäuse 2 eingebaut ist. Das Radialgaslager 9 weist einen Radialgaslagerring 11 auf, der an seinem außenseitigen Umfang an dem innenseitigen Umfang der Gehäusebuchse 10 radial nach außen abgestützt ist.
Die Gasdichtungseinrichtung 4 weist eine Tragbuchse 12 auf, die auf die Wellenstufe 3 befestigt ist. Der Innendurchmesser des Gaslagerrings 11 ist derart dimensioniert, dass zwischen der zylindrischen Außenseite der Tragbuchse 12 und der Innenseite des Radiallagerrings 11 ein Lagerspalt 13 sich ergibt. Axial mittig und radial sich erstreckend ist in dem Radialgaslagerring 11 ein Betriebsgaskanal 14 vorgesehen, der in den Lagerspalt 13 mündet. In Verlängerung zu dem Betriebsmittelkanal 14 ist in dem Turboverdichtergehäuse 2 ein Betriebsgaszuführkanal 15 vorgesehen, durch den Betriebsgas in den Betriebsgaskanal 14 strömen kann. Dabei tritt das Betriebsgas in den Lagerspalt 13 ein, wobei von dem Betriebsgas ein tragfähiger Gasfilm gebildet wird. Durch den Betriebsgaskanal 14 ist der Radialgaslagerring 11 axial in 1 gesehen in eine lagerseitige Gaslagerringhälfte 17 und eine prozessseitige Gaslageringhälfte 18 unterteilt.
Axial im Abstand von dem Radialgaslagerring 11 ist die Tragbuchse 12 mit einem radial sich erstreckenden und umlaufenden Flansch 19 versehen, an dem ein Gegenring 20 von dem Radialgaslagerring 11 abgewandt axial anliegt. Der Flansch 19 ist im Axialabstand von der prozessseitigen Gaslagerringhälfte 18 angeordnet, so dass zwischen dem Flansch 19 und der prozessseitigen Gaslagerringhälfte 18 eine Betriebsgaszwischenpassage 24 ausgebildet ist. Dringt das Betriebsgas aus dem Lagerspalt 13 aus, so stellt sich in der Betriebsgaszwischenpassage 24 eine Betriebsgasströmung 16 ein, die zu der ersten Gleitringdichtung 7 strömt.
An der Anliegefläche des Gegenrings 20 zu dem Flansch 19 ist in dem Flansch 19 ein O-Ring 21 angebracht. An der dem Flansch 19 abgewandten Seite des Gegenrings 20 ist auf der Tragbuchse 12 sitzend eine Sperrbuchse 22 vorgesehen, mit der die Axialposition des Gegenrings 20 auf der Wellenstufe 3 definiert ist. An der Turboverdichterwelle 1 ist eine Wellenmutter 23 angebracht, mit der auf der Wellenstufe 3 die Tragbuchse 12 mit der Sperrbuchse 22 verspannt ist. Dadurch ist mit der Sperrbuchse 22 der Gegenring 20 an den Flansch 19 gedrückt, wodurch der Gegenring 20 an dem Flansch 19 befestigt ist. Somit ist der Gegenring 20 auf der Turboverdichterwelle 1 befestigt, so dass der Gegenring 20 bei Rotation der Turboverdichterwelle 1 ebenfalls rotiert.
Dem Flansch 19 abgewandt ist an dem Gegenring 20 unmittelbar benachbart ein Primärring 25 angeordnet, der an seiner dem Gegenring 20 abgewandeten Seite mit einer Feder 26 axial in Richtung zu dem Gegenring 20 vorgespannt ist. Die Feder 26 greift via eine Druckplatte 27 axial an dem Primärring 25 an. Ferner ist die Feder 26 an einem Abstützring 28 abgestützt, der zwischen der Tragbuchse 12 bzw. der Sperrbuchse 22 und der Gehäusebuchse 10 angeordnet ist. Der Abstützring 20 ist an der Gehäusebuchse 10 zusammen mit dem Radialgaslagerring 11 in Axialrichtung verspannt, so dass der Primärring 25, die Feder 26, die Druckplatte 27 und der Abstützring 28 zusammen mit dem Radialgaslagerring 11 an der Gehäusebuchse 10 festgelegt sind.
Bei Rotation der Turboverdichterwelle 11 dreht sich der Gegenring 20, wohingegen der Primärring 25 stationär bleibt. Dadurch, dass das Betriebsgas nach Passieren der Betriebsgaszwischenpassage 24 radial außen an dem Gegenring 20 und dem Primärring 25 ansteht, hebt unter Nachgeben der Feder 26 der Primärring 25 von dem Gegenring 20 ab, so dass sich ein Betriebsgasfilm zwischen dem Primärring 25 und dem Gegenring 20 aufbaut. Somit dreht sich der Gegenring 20 berührungslos an dem Primärring 25, so dass ein Verschleiß des Gegenrings 20 und des Primärrings 25 unterbunden ist.
Die erste Gleitringdichtung 7 und die zweite Gleitringdichtung 8 sind spiegelsymmetrisch an dem Radialgaslagerring 11 angeordnet, wodurch die erste Gleitringdichtung 7 und die zweite Gleitringdichtung 8 in einer Doppeldichtungsanordnung vorgesehen sind. Dadurch, dass zwischen der ersten Gleitringdichtung 7 und der zweiten Gleitringdichtung 8 der Radialgaslagerring 11 mit seinem Betriebsgaskanal 14 vorgesehen ist, wird mit dem Betriebsgas zuerst die Lagerung der Turboverdichterwelle 1 mit Hilfe des Radialgaslagerrings 11 bewerkstelligt, wohingegen, nachdem das Betriebsgas durch die Betriebsgaszwischenpassage 24 zu der ersten Gleitringdichtung 7 und der zweiten Gleitringdichtung 8 gelangt ist, die Abdichtung der Prozessseite 5 von der Lagerseite 6 mit der ersten Gleitringdichtung 7 und der zweiten Gleitringdichtung 8 bewerkstelligt wird.

Claims

Gasdichtungseinrichtung für eine Turbomaschinenwelle (1), mit einer Gleitringdichtung (7, 8), mit der die Turbomaschinenwelle (1) gegen ein Turbomaschinengehäuse (2) abdichtbar ist und die mit einem der Gasdichtungseinrichtung (4) zugeführtem Betriebsgas (16) schmierbar sowie sperrbar ist, und einem Radialgaslager (9), mit dem die Turbomaschinenwelle (1) in dem Turbomaschinengehäuse (2) radial lagerbar ist und das mit dem Betriebsgas (16) schmierbar ist, wobei die Gasdichtungseinrichtung (4) derart eingerichtet ist, dass das Betriebsgas (16) zuerst das Radialgaslager (9) und dann die Gleitringdichtung (7, 8) durchströmt.
Gasdichtungseinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Radialgaslager (9) und die Gleitringdichtung (7, 8) axial hintereinander liegend angeordnet sind und zwischen dem Radiallager (9) und der Gleitringdichtung (7, 8) eine Betriebsgaszwischenpassage (24) zum Führen des Betriebsgases (16) von dem Radialgaslager (9) zu der Gleitringdichtung (7, 8) vorgesehen ist.
Gasdichtungseinrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Gasdichtungseinrichtung (4) eine Tragbuchse (12) aufweist, die auf die Turbomaschinenwelle (1) aufziehbar ist und um die konzentrisch ein an dem Turbomaschinengehäuse (2) abgestützter Radialgaslagerring (11) unter Ausbilden eines Lagerspalts (13) zwischen dem Radialgaslagerring (11) und der Tragbuchse (12) angeordnet ist, so dass, wenn die Gasdichtungseinrichtung (4) auf die Turbomaschinenwelle (1) und in das Turbomaschinengehäuse (2) montiert ist sowie die Turbomaschinenwelle (1) rotiert, ein tragender Gasfilm von dem Betriebsgas (16) in dem Lagerspalt (13) ausgebildet ist.
Gasdichtungseinrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Gleitringdichtung (7, 8) einen Gegenring (20) aufweist, der an der Tragbuchse (12) fest abgestützt ist.
Gasdichtungseinrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Tragbuchse (12) einen am Außenumfang umlaufenden Flansch (19) aufweist, an dem der Gegenring (20) an dem Flansch (19) in Axialrichtung abgestützt ist, wobei der Flansch (19) axial zwischen dem Radialgaslagerring (11) und dem Gegenring (20) angeordnet ist.
Gasdichtungseinrichtung gemäß Anspruch 5, wobei der Flansch (19) im Axialabstand zu dem Radialgaslagerring (11) angeordnet ist, so dass zwischen dem Flansch (19) und dem Radialgaslagerring (11) die Betriebsgaszwischenpassage (24) ausgebildet ist.
Gasdichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gasdichtungseinrichtung (4) eine Gehäusebuchse (10) aufweist, die konzentrisch um die Tragbuchse (12) angeordnet ist und mit der die Gasdichtungseinrichtung (4) in das Turbomaschinengehäuse (2) einbaubar ist, wobei der Radialgaslagerring (11) an der Innenseite der Gehäusebuchse (10) radial abgestützt ist.
Gasdichtungseinrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Gleitringdichtung (7, 8) einen Primärring (25) aufweist, der axial unmittelbar neben den Gegenring (20) angeordnet ist und in Axialrichtung zu dem Gegenring (20) hin vorgespannt ist, so dass, wenn die Gasdichtungseinrichtung (4) auf die Turbomaschinenwelle (1) und in das Turbomaschinengehäuse (2) montiert ist sowie die Turbomaschinenwelle (1) rotiert, ein tragender Gasfilm von dem Betriebsgas zwischen dem Primärring (25) und dem Gegenring (20) ausgebildet ist
Gasdichtungseinrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Gleitringdichtung (7, 8) einen Abstützring (28) aufweist, der axial neben dem Primärring (25) angeordnet ist und an dem der Primärring (25) mit einem Vorspannmittel (26, 30) in Axialrichtung abgestützt ist, wobei der Abstützring (28) seinerseits an der Gehäusebuchse (10) abgestützt ist.
Gasdichtungseinrichtung gemäß Anspruch 9, wobei der Radialgaslagerring (11) und der Abstützring (28) axial aneinander abgestützt sind.
Gasdichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Gasdichtungseinrichtung (4) eine erste Gleitringdichtung (7) mit einem ersten Primärring (25) und einen dazugehörigen ersten Gegenring (20) und eine zweite Gleitringdichtung (8) mit einen zweiten Primärring und einen dazugehörigen zweiten Gegenring aufweist, wobei die erste Gleitringdichtung (7) und die zweite Gleitringdichtung (8) in einer Doppelgasdichtung angeordnet sind.
Gasdichtungseinrichtung gemäß Anspruch 11, wobei der Radialgaslagerring (11) axial mittig einen radial sich erstreckenden und in den Lagerspalt (13) mündenden Betriebsgaskanal (14) aufweist, durch den das Betriebsgas (16) von außerhalb des Radialgaslagerrings (11) in den Lagerspalt (13) bringbar ist.