DE102010041210A1

DE102010041210A1 - Gehäuse

Info

Publication number: DE102010041210A1
Application number: DE102010041210A
Authority: DE
Inventors: Dieter Nass
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2012-03-22
Also published as: US9291073B2; EP2601414B1; CN103140683A; EP2601414A1; US20130183147A1; CN103140683B; WO2012041757A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse (CAS) mit einer sich entlang eines Rotors (R) erstreckenden Längsachse (AX) einer Turbomaschine (TM), insbesondere Turboverdichtergehäuse umfassend mindestens ein sich entlang der Längsachse (AX) erstreckendes Mantelteil (SH) und mindestens einen stirnseitigen Deckel (COV), welcher Deckel (COV) zumindest mit einem Teil seiner axialen Erstreckung von dem Mantelteil (SH) umgeben ist. Um den Radialspielbedarf zu verringern ohne Abstriche in der Verfügbarkeit oder der Sicherheit des Betriebes der Maschine zu machen wird vorgeschlagen, dass der Deckel (COV) gegenüber dem Mantelteil (SH) ein radiales Spiel (RCL) aufweist und dass mindestens zwei separate Führungselemente (GE) des Deckels (COV) an dem Mantelteil (SH) vorgesehen sind an zwei unterschiedlichen Umfangspositionen bezüglich der Längsachse (AX) wobei die Führungselemente (GE) jeweils derart ausgebildet sind, dass sie mindestens unidirektional eine Bewegung des Deckels (COV) jeweils in Umfangsrichtung blockieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse mit einer sich entlang eines Rotors erstreckenden Längsachse einer Turbomaschine, insbesondere Turboverdichtergehäuse, umfassend mindestens ein sich entlang der Längsachse erstreckendes Mantelteil und mindestens einen stirnseitigen Deckel, welcher Deckel zumindest mit einem Teil seiner axialen Erstreckung von dem Mantelteil umgeben ist.
Derartige Gehäuse finden Anwendung in Zusammenhang mit nahezu jeder Turbomaschine unabhängig, ob es sich um eine axial durchströmte oder eine radial durchströmte Turbomaschine handelt. Diese Bauformen sind außerdem denkbar für Turbomaschinen mit einem horizontal geteilten Gehäuse oder Turbomaschinen in Topfbauweise bzw. mit einer vertikalen Teilfuge. Sowohl bei entspannenden Turbomaschinen als auch bei verdichtenden Turbomaschinen sind die Drücke und Temperaturen des Prozessfluids von entscheidender Bedeutung für die Konstruktion und die Dimensionierung, insbesondere des Gehäuses. Eine naturgemäßer Schwachpunkt des Gehäuses sind die Stellen, die einen Zugang zu dem inneren des Gehäuses ermöglichen also beispielsweise Teilfugen oder anders verschließbare Öffnungsmöglichkeiten, beispielsweise stirnseitige Deckel. Ein weiterer Schwachpunkt der Gehäuse und der Gesamtkonstruktion ist häufig aufgrund von Durchführungen des Rotors durch das Gehäuse gegeben, die mittels einer Wellendichtung abgedichtet werden müssen. Bei den Wellendichtungen handelt es sich häufig um Bereiche, die gegenüber der Welle ein möglichst zu minimierenden Radialspiel aufweisen, damit eine zu erwartende Leckage des Prozessfluids gering ausfällt. Die Radialspiele lassen sich jedoch nicht beliebig verkleinern, da die thermische Beaufschlagung des Gehäuses und der übrigen Maschinenkomponenten, insbesondere bei instationärem Betrieb nicht an allen Maschinenbauteilen gleich ist und daher thermische Relativdehnungen – auch durch unterschiedliche Werkstoffe – auftreten, die zu einer Spielverringerung führen können. Zusätzlich sind Radialspielbedürfnisse aus der Rotordynamik und notwendigen Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen. Erst wenn die Summe der Radialspielbedürfnisse zuzüglich eines Sicherheitsaufschlages Niederschlag in der Konstruktion finden, ist die Betriebssicherheit der Maschine tatsächlich gewährleistet.
Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, das Gehäuse der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass der Radialspielbedarf verringert wird, ohne Abstriche in der Verfügbarkeit oder der Sicherheit des Betriebes der Maschine zu machen.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Gehäuse der eingangs definierten Art vorgeschlagen, welches zusätzlich die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist.
Herkömmliche Befestigungen eines Deckels an dem Mantelelement sehen eine Halterung des Deckels mittels Schrauben in radialer Richtung vor. Auch im erfindungsgemäßen Sinne ist hierbei zweckmäßig ist es, wenn der Deckel mindestens einen sich vorzugsweise in Umfangsrichtung erstreckenden radial hervorstehenden Absatz aufweist, der sich von innen an einem sich ebenfalls vorzugsweise in Umfangsrichtung erstreckenden radial nach innen vorspringenden Absatz des Gehäuses im Bereich der Öffnung derart abstützt, dass bei einem Überdruck in dem Gehäuse der Deckel zur festen Anlage an dem Mantelelement des Gehäuses angepresst wird, wobei die beiden radialen Absätze aneinander zur Anlage kommen. Die Anlage mittels der radialen Absätze, wie es beispielsweise in der EP 1 933 038 A1 dargestellt ist, löst das Problem der Deckelbefestigung an dem Mantelteil gegen die Wirkung des Innendrucks beispielsweise bei einem Verdichter. Gänzlich unberührt bleibt jedoch das Problem einer Zentrierung des Deckels in radialer Richtung. Dieses ist besonders schwerwiegend, weil hier der Deckel Träger von Wellendichtungen und einem Radiallager für einen Rotor ist, der durch eine Öffnung des Deckels hindurchgeführt ist. Den Deckel hier als Träger aller radialspielrelevanten Komponenten auszubilden, hat den großartigen Vorteil, dass die Toleranzkette bezüglich dieser radialspielrelevanten Bauteile sehr verkürzt ist, so dass sich ein schon verringerter Radialspielbedarf ergibt. Eine derartige Anordnung ist besonders empfindlich hinsichtlich radialer Fehlausrichtungen des Deckels, so dass hier eine Anwendung der Erfindung besonders zweckmäßig ist. Die Erfindung besteht darin, dass der Deckel relativ zu dem Gehäuse eine Zentrierung erfährt. Wie bereits eingangs erläutert, kann der Deckel zu dem Mantelelement nicht mittels einer zentrierenden Passung im Bereich der überlappenden Axialerstreckung ausgerichtet werden, da an dieser Stelle ein verhältnismäßig kleines Spiel bereitzustellen ist um eine thermische Relativdehnung insbesondere während des instationären Betriebes aber auch unter stationären Betriebsbedingungen sicher zustellen. Die Erfindung ermöglicht einerseits eine Relativbewegung von Bereichen des Deckels gegenüber dem Mantelteil insbesondere in Folge von thermischer Relativdehnung und andererseits eine Zentrierung des Deckels zu dem Mantelteil des Gehäuses in anderen Bereichen. Vorzugsweise ist der Deckel in dem Bereich zu dem Mantelteil des Gehäuses zentriert, der den Schnittpunkt der Längsachse mit dem Deckel definiert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die zwei Führungselemente so angeordnet sind, dass sie die Gewichtskraft des Deckels abstützen. Eine derartige Abstützung ist auch im Rahmen der Montage sehr nützlich, weil für einen derartigen Deckel keine provisorischen Abstützungen bereitgestellt werden müssen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Deckel Ausformungen aufweist, die die Gewichtskraft des Deckels in Ausnehmungen an der Teilfuge des Gehäuses abstützen. Diese Ausnehmungen sind zweckmäßig so gestaltet, dass die Ausformungen an dem Deckel eine vertikale Bewegung bidirektional einschränken.
Auf diese Weise können beispielsweise durch Reibungskräfte verursachte Kräfte an dem Deckel den Deckel weder vertikal abwärts noch vertikal aufwärts bewegen.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn eine Mittenzentrierung an dem Gehäuse vorgesehen ist, welche zwei Anlageflächen aufweist, die an Kontaktflächen des Deckels anliegen, wobei die Anlageflächen und Kontaktflächen derart ausgebildet sind, dass nur beidseitig eine horizontale Bewegung des Deckels COV senkrecht zur Längsachse AX blockiert ist. Ansonsten ist die Beweglichkeit durch die Mittenzentrierung selbst nicht eingeschränkt.
Die Mittenzentrierung, die entlang einer Vertikalen durch die Längsachse angeordnet ist, sollte bidirektional die Beweglichkeit senkrecht zur Längsachse in einer horizontalen Richtung blockieren. Bevorzugt haben die beiden Führungen nur eine Anlagefläche an dem Deckel und die Mittenzentrierung weist zwei Anlageflächen zu dem Deckel auf.
Ein bevorzugtes Anwendungsfeld der Erfindung sind Deckel mit einem Außendurchmesser von 1000 mm oder mehr. Besonders zweckmäßig sind die Führungselemente derart ausgebildet, dass sich im Betrieb das radiale Spiel im Wesentlichen konzentrisch zur Längsachse ergibt. Auf diese Weise können rotordynamische Erwägungen die Auslegung des Radialspiels dominieren. Unter dem Betrieb ist hierbei der auslegungsgemäße Nennbetrieb zu verstehen und nicht ein transienter Zustand beispielsweise während des Hochfahrens oder Abfahrens der Maschine. Besonders zweckmäßig ist eine Anordnung der zwei Führungselemente entlang einer Horizontalen, die sich durch die Längsachse erstreckt.
Die Erfindung ist besonders zweckmäßig bei großen Deckeln (Durchmesser über 1000 mm), insbesondere, wenn der Deckel eine sich in Umfangsrichtung erstreckende erste Anlagefläche aufweist, welche mit einer zweiten Anlagefläche an dem Mantelteil dichtend zusammenwirkt, wobei bevorzugt Befestigungselemente zur Befestigung es Deckels an dem Mantelteil und dem Deckel vorgesehen sind, wobei eine Flächennormale der zweiten Anlagefläche ins Innere des Gehäuses weist und eine Flächennormale der ersten Anlagefläche entgegengesetzt gerichtet ist, so dass ein Überdruck im Inneren des Gehäuses die beiden Anlageflächen gegeneinander drückt.
Bei den beiden Führungselemente, die entlang einer Horizontalen durch die Längsachse angeordnet sind, kann es sich bevorzugt um Führungselemente handeln, die zumindest unidirektional eine Beweglichkeit in der Vertikalen blockieren, insbesondere den Deckel gegen die Schwerkraft abstützen.
Zweckmäßig sind an dem Mantelteil zwei horizontale Auflager vorgesehen, an denen der Deckel gegen die Einwirkung der Gravitation abgestützt ist und zusätzlich ist an dem Mantelteil zweckmäßig eine Führung vorgesehen, die eine Bewegung des Deckels in horizontaler Richtung senkrecht zur Längachse des Mantelteils blockiert. Die zwei Führungselemente, die als horizontale Auflager ausgebildet sind definieren gemeinsam mit der Längsachse des Maschinenteils eine Ebene. Die dritte Führung, die eine horizontale Bewegung senkrecht zur Längsachse des Mantelteils beidseitig blockiert, weist an korrespondierenden Kontaktflächen des Deckels anliegende Anlageflächen auf, die bevorzugt nicht weiter als 20 mm von einer gemeinsamen vertikalen Ebene durch die Längsachse des Mantelteils entfernt sind.
Wie bereits oben ausgeführt, ist der Deckel bevorzugt Träger mindestens einer Wellendichtung, welche einen Umfangsspalt zwischen dem Rotor und dem Deckel an der Öffnung abdichtet.
Zusätzlich kann der Deckel zweckmäßig Träger eines Radiallagers zur Lagerung des Rotors sein. Besonders bevorzugt umfasst die Wellendichtung eine Trockengasdichtung. Insbesondere im Falle, dass die Wellendichtung eine Trockengasdichtung umfasst, ist der Deckel vorteilhaft mit einer Heizung ausgerüstet, welche im Falle besonders kalter Prozessgase die Trockengasdichtung auf eine geeignete Betriebstemperatur beheizt. Beispielsweise bei einer Boil-Off-Gas-Anwendung findet eine Verdichtung bei –160°C statt, so dass die Trockengasdichtung mittels der in den Deckel integrierten Heizung auf eine geeignete Betriebstemperatur von etwa –100°C geheizt werden muss.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse eine Teilfuge parallel zur Längsachse hat, insbesondere eine horizontale Teilfuge.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Neben dem Ausführungsbeispiel ergeben sich insbesondere aus beliebiger Kombination der Unteransprüche mit dem Hauptanspruch für den Fachmann weitere Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung.
Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Turboverdichters, der wesentliche Teile eines erfindungsgemäßen Gehäuses zeigt,
2 eine Ansicht auf den Turboverdichter ausgewiesen in 1 mittels II,
3 eine Detailansicht aus der 1 in der Montage,
4 eine Detailansicht aus der 1 im Betrieb.
1 zeigt eine Turbomaschine TM, nämlich einen Turboverdichter TCO mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse CAS, bzw. einem Turboverdichtergehäuse. Das Gehäuse CAS erstreckt sich entlang einer Längsachse AX und weist eine horizontale Teilfuge TF auf, welche mittels Teilfugenschrauben TFS zusammengehalten wird. Das Gehäuse CAS lässt sich unterteilen in einen Mantelteil SH und einen Deckel COV. Der Mantelteil SH ist mit der horizontalen Teilfuge TF versehen. Der Deckel COV ist ungeteilt ausgebildet, weist eine im Wesentlichen ebene Erstreckung senkrecht zur Längsachse AX auf mit einer im Wesentlichen runden Außenkontur. Im Wesentlichen konzentrisch zur runden Außenkontur weist der Deckel im Bereich um eine Längsachse des Mantelteils SH ein Öffnung OP auf, durch welche ein Rotor R, der sich entlang der Längsachse AX erstreckt, aus dem Gehäuse CAS herausgeführt ist. Der Deckel COV trägt eine Wellendichtung SSL und ein radiales Lager BE. Die Wellendichtung SSL umfasst in axialer Reihenfolge vom Inneren der Maschine ausgehend, eine Labyrinthdichtung LS und eine Trockengasdichtung DGS, eine Kohleringdichtung KRS. Der Turboverdichter TCO ist zur Verdichtung von Boil-Off-Gas vorgesehen, was mit Temperaturen im Bereich von –160°C des Prozessgases einhergeht. Um für die Trockengasdichtung eine geeignete Betriebstemperatur von > –100°C bereit zu stellen, ist in dem Deckel COV eine Heizung HEA integriert, die an die Trockengasdichtung DGS angrenzt. Die Heizung HEA wird mit Öl OL als Wärmetauschermedium betrieben.
Wie in den 3 und 4 dargestellt, umfasst der Deckel COV ein Grundelement BE und ein Ringelement RE, welches von außen an das Gehäuse CAS den Deckel COV einfassend angeschraubt wird mittels erster Schrauben SC1. Das Ringelement RE weist einen sich in Umfangsrichtung erstreckende Ausformung PRO auf, die sich in einer in Umfangsrichtung erstreckenden Nut GR bei der Montage (3, 4) einfügt. Das Ringelement RE ist an die Außenkontur des Deckels COV auf der nach außen weisenden Seite angepasst und mittels zweiter Schrauben SC2 fest mit dem Deckel COV verschraubt. Im Betrieb weist die Verschraubung des Ringelementes RE mittels der Schraube SC1 an dem Mantelteil SH des Gehäuses CAS mittels der Schraube SC1 ebenso ein Radialspiel auf, wie der Formschluss gebildet durch die Ausformung PRO und die Nut GR. Eine radiale Ausrichtung des Deckels COV gegenüber dem Mantelteil SH erfolgt mittels zweier Führungen GE und einer Mittenzentrierung CCE. Die zwei Führungen GE bilden jeweils eine horizontale Auflage SUPH, die den Deckel COV im Bereich der horizontalen Teilfuge TF gegen eine Gewichtskraft G abstützen. Die Mittenzentrierung CCE ist eine horizontale Zentrierung ZEH und blockiert eine Bewegung des Deckels COV senkrecht zur Längsachse AX des Mantelteilteils SH in horizontale Richtung. Die horizontalen Auflagen SUPH verhindern eine Bewegung des Deckels COV nur einseitig in vertikaler Richtung gegen die Gewichtskraft G.
Die Mittenzentrierung CCE blockiert eine horizontale Bewegung senkrecht zur Lenksachse AX beidseitig; es weist zwei Anlageflächen CS auf, die an Kontaktflächen CS des zum Deckel COV gehörigen Ringelements RE anliegen. Die Mittenführung CCE die auch als horizontal wirkendes Zentrierelement bezeichnet werden kann, ist mit den Anlageflächen SC und den Kontaktflächen CS des Ringelementes RE jeweils paarweise so ausgebildet, dass die Anlageflächen SH nicht weiter als 10 mm von einer vertikalen Ebene durch die Längsachse AX entfernt sind. Weiterhin definieren die horizontalen Auflagen SUPH gemeinsam mit der Längsachse AX eine horizontale Ebene. Diese geometrischen Zusammenhänge sind in 2 dargestellt.
Der Deckel COV weist gegenüber dem Mantelteil SH ein radiales Spiel RCL auf.
Der Deckel COV weist eine sich in Umfangsrichtung erstreckende erste Anlagefläche SFCOV auf, welche mit einer zweiten Anlagefläche SFCAS an dem Mantelteil SH dichtend zusammenwirkt, wobei eine Flächennormale der zweiten Anlagefläche SFCAS ins Innere des Gehäuses CAS weist und eine Flächennormale der ersten Anlagefläche SFCOV entgegengesetzt gerichtet ist, so dass ein Überdruck im Inneren des Gehäuses CAS die beiden Anlageflächen SFCAS, SFCOV gegeneinander drückt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1933038 A1 [0005]

Claims

Gehäuse (CAS) mit einer sich entlang eines Rotors (R) erstreckenden Längsachse (AX) einer Turbomaschine (TM), insbesondere Turboverdichtergehäuse umfassend mindestens ein sich entlang der Längsachse (AX) erstreckendes Mantelteil (SH) und mindestens einen stirnseitigen Deckel (COV), welcher Deckel (COV) zumindest mit einem Teil seiner axialen Erstreckung von dem Mantelteil (SH) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (COV) gegenüber dem Mantelteil (SH) ein radiales Spiel (RCL) aufweist und dass mindestens zwei separate Führungselemente (GE) des Deckels (COV) an dem Mantelteil (SH) vorgesehen sind an zwei unterschiedlichen Umfangspositionen bezüglich der Längsachse (AX) wobei die Führungselemente (GE) jeweils derart ausgebildet sind, dass sie mindestens unidirektional eine Bewegung des Deckels (COV) jeweils in Umfangsrichtung blockieren.
Gehäuse (CAS) nach Anspruch 1, wobei eine Mittenzentrierung CCE an dem Gehäuse vorgesehen ist, welche zwei Anlageflächen SC aufweist, die an Kontaktflächen CS des Deckels COV anliegen, wobei die Anlageflächen SC und Kontaktflächen CS derart ausgebildet sind, dass beidseitig oder nur beidseitig eine horizontale Bewegung des Deckels COV senkrecht zur Längsachse AX blockiert ist.
Gehäuse (CAS) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Deckel (COV) eine Öffnung (OP) aufweist, durch welche der Rotor (R) hindurchführbar ist.
Gehäuse (CAS) nach mindestens Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Führungselemente (GE) so angeordnet und ausgebildet sind, dass sie die Gewichtskraft des Deckels (COV) abstützen.
Gehäuse (CAS) nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Führungselemente (GE) derart angeordnet sind, dass sich im Betrieb das Spiel (RCL) im Wesentlichen konzentrisch zur Längsachse (AX) ergibt.
Gehäuse (CAS) nach mindestens dem vorhergehenden Patentanspruch 3, wobei zwei Führungselemente (GE) entlang einer Horizontalen durch die Längsachse (AX) angeordnet sind und die Mittenzentrierung (CCE) entlang einer Vertikalen durch die Längsachse angeordnet ist.
Gehäuse (CAS) nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Deckel (COV) mindestens eine Wellendichtung (SSL), mittels welcher ein Umfangsspalt (SG) zwischen dem Rotor (R) und der Öffnung (OP) des Deckels (COV) abdichtbar ist, umfasst.
Gehäuse (CAS) nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Deckel (COV) ein Radiallager (RB) umfasst.
Gehäuse (CAS) nach mindestens dem vorhergehenden Patentanspruch 6, wobei die von dem Deckel (COV) umfasste Wellendichtung (SSL) eine Trockengasdichtung (DGS) umfasst.
Gehäuse (CAS) nach Anspruch 6 oder 8, wobei der Deckel (COV) eine Heizung (HEA) zur Beheizung der Wellendichtung (SSL) oder der Trockengasdichtung (DGS) umfasst.
Gehäuse (CAS) nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Gehäuse (CAS) eine Teilfuge (TF) parallel zur Längsachse (AX) aufweist.
Gehäuse (CAS) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Führungselemente (GE) nur einseitig eine freie vertikale Bewegung des Deckels (COV) blockieren und das Mittenführungslement (CCE) nur beidseitig eine horizontale freie Bewegung senkrecht zur Längsachse (AX) des Deckels (COV) blockiert.
Gehäuse (CAS) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Deckel (COV) eine sich in Umfangsrichtung erstreckende erste Anlagefläche (SFCOV) aufweist, welche mit einer zweiten Anlagefläche (SFCAS) an dem Mantelteil (SH) dichtend zusammenwirkt, wobei eine Flächennormale der zweiten Anlagefläche (SFCAS) ins Innere des Gehäuses (CAS) weist und eine Flächennormale der ersten Anlagefläche (SFCOV) entgegengesetzt gerichtet ist, so dass ein Überdruck im Inneren des Gehäuses (CAS) die beiden Anlageflächen (SFCAS, SFCOV) gegeneinander drückt.