DE102011051650A1

DE102011051650A1 - Axiale Wellenabdichtung

Info

Publication number: DE102011051650A1
Application number: DE102011051650A
Authority: DE
Inventors: Frank WIEBE
Original assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Current assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: CN102865107A; US9133725B2; CN102865107B; JP2013019411A; DE102011051650B4; RU2600195C2; RU2012127122A; US20130011245A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit einer in einem Wellengehäuse (1) gelagerten Rotorwelle (2), zumindest einem an einem Wellenende der Rotorwelle (2) in einem Laufradgehäuse (5) angeordneten Radiallaufrad (4) und mit einer Dichtungsanordnung (9) zwischen einem Strömungsquerschnitt (7) des Laufradgehäuses (5) und einem die Rotorwelle (2) innerhalb des Wellengehäuses (1) umgebenden Freiraum (8), wobei die Dichtungsanordnung (9) mehrere voneinander beabstandete Dichtungselemente (10A, 10B, 10C) aufweist, um den Strömungsquerschnitt (7) von dem Freiraum (8) zu trennen. Erfindungsgemäß ist die gesamte Dichtungsanordnung (9) mit ihren Dichtungselementen (10A, 10B, 10C) an einem radialen Spalt (11) angeordnet, wodurch axiale Abschnitte der Rotorwelle (2) frei von Dichtungen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit einer in einem Wellengehäuse gelagerten Rotorwelle, zumindest einem an einem Wellenende der Rotorwelle in einem Laufradgehäuse angeordneten Radiallaufrad und mit einer Dichtungsanordnung zwischen einem Strömungsquerschnitt des Laufradgehäuses und einem die Rotorwelle innerhalb des Wellengehäuses umgebenden Freiraum, wobei die Dichtungsanordnung mehrere voneinander beabstandete Dichtungselemente aufweist, um den Strömungsquerschnitt von dem Freiraum zu trennen. Das Radiallaufrad dient zur Expansion oder Kompression eines Fluids, wobei die Strömungsquerschnitte innerhalb des Laufradgehäuses, insbesondere ein radial an das Laufrad anschließender Strömungsquerschnitt, ein anderes Druckniveau aufweisen, als der die Rotorwelle innerhalb des Wellengehäuses umgebende Freiraum.
Um unerwünschte Fluidströmungen durch das Wellengehäuse sowie den Wirkungsgrad der Turbomaschine verringernde Druckverluste zu vermeiden, ist zwischen den Strömungsquerschnitten des Laufradgehäuses einerseits und dem Freiraum innerhalb des Wellengehäuses andererseits üblicherweise eine Dichtungsanordnung vorgesehen, die an einem axialen Wellenabschnitt angeordnet ist. So ist es aus der Praxis bekannt Dichtungen in Form von Bürstendichtungen, Gleitringdichtungen oder Labyrinthdichtungen zwischen Rotorwelle und Wellengehäuse an einem axialen Abschnitt der Welle anzuordnen. Um dies zu ermöglichen, muss die Rotorwelle eine ausreichende Länge innerhalb des Wellengehäuses aufweisen. Des Weiteren sind auch Lager und optional eine elektrische Maschine in Form eines Motors oder eines Generators in dem Wellengehäuse vorzusehen.
Aus der DE 10 2004 041 439 A1 ist eine Turbomaschine zur Expansion oder Verdichtung eines gas- oder dampfförmigen Fluids bekannt, die an einem radialen Spalt zwischen der Rückseite eines Radiallaufrades und einer zugeordneten Gehäusefläche eine umlaufende Bürstendichtung aufweist. Bei einer Ausgestaltung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen, gemäß welcher die Dichtungsanordnung mehrere voneinander beabstandete Dichtungselemente aufweist, ist zusätzlich zu der umlaufenden Bürstendichtung auf einem axialen Abschnitt eine Labyrinthdichtung vorgesehen, wobei ein seitlich an das Radiallaufrad anschließender Strömungsquerschnitt von dem die Rotorwelle innerhalb des Wellengehäuses umgebenden Freiraum sowohl durch die in dem Spalt angeordnete Bürstendichtung als auch durch die an dem axialen Wellenabschnitt angeordnete Labyrinthdichtung getrennt ist.
Aus der EP 1 281 836 B1 sowie der DE 10 2006 049 516 B3 sind Turbomaschinen bekannt, bei denen an der Rückseite eines Radiallaufrades eine Fluidkammer angeordnet ist, die zur Kompensation axialer Schubkräfte mit einem komprimierten Fluid beaufschlagbar ist. Durch Zuführen und Ablassen des komprimierten Fluids können die von dem Zwischenraum als Puffer bereitgestellten Stützkräfte verändert werden. Zur Abgrenzung dieses Zwischenraumes ist zwischen der Rückseite des Radiallaufrades und dem Gehäuse einerseits sowie an einem axialen Abschnitt der Rotorwelle andererseits eine Dichtungsanordnung notwendig.
Bei dem Betrieb von Turbomaschinen ergibt sich aufgrund der hohen Drehzahlen häufig das Problem, dass die Eigenfrequenzen der Bauteile, insbesondere der Rotoranordnung, zu berücksichtigen sind. Wenn die Betriebsfrequenz in der Turbomaschine im Bereich kritischer Eigenfrequenzen liegt, besteht die Gefahr erhöhter Schwingungen, die zu einem verstärkten Verschleiß oder sogar zu einer Zerstörung der Turbomaschine führen können.
So ist es bekannt, die Bereiche spezifischer Eigenfrequenzen beim Betrieb einer Turbomaschine zu vermeiden.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Einschränkungen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
Ausgehend von einer Turbomaschine mit den eingangs beschriebenen Merkmalen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die gesamte den Druckunterschied zwischen dem Strömungsquerschnitt und dem Freiraum aufrechterhaltende Dichtungsanordnung mit ihren Dichtungselementen an einem radialen Spalt angeordnet ist, wodurch axiale Abschnitte der Rotorwelle frei von Dichtungen sind. Entsprechend muss bei der Konstruktion der Turbomaschine an der Rotorwelle kein axialer Abschnitt für die Anordnung einer Dichtung vorgesehen werden, sodass die Rotorwelle entsprechend verkürzt werden kann. Auch wenn die Material- und Raumersparnis vergleichsweise gering sind, wird das rotationsdynamische Verhalten des Rotors erheblich verbessert. Durch die Verkürzung des axialen Bauraumes der Rotorwelle wird der gesamte Rotor steifer, wodurch sich die spezifischen Eigenfrequenzen erhöhen. Bei dem Betrieb der Turbomaschine werden entsprechend die spezifischen Eigenfrequenzen erst bei höheren Drehzahlen erreicht, wenn diese nicht sogar bis oberhalb der maximalen Drehzahl verschoben werden können.
Die Turbomaschine kann an der Rotorwelle lediglich ein Radiallaufrad oder an beiden Wellenenden jeweils ein Radiallaufrad aufweisen. So liegt es im Rahmen der Erfindung, dass an einem ersten Wellenende ein erstes Radiallaufrad in einem ersten Laufradgehäuse und an einem zweiten Wellenende ein zweites Radiallaufrad an einem zweiten Laufradgehäuse angeordnet sind, wobei zwischen einem Strömungsquerschnitt des ersten Laufradgehäuses und dem Freiraum einerseits sowie einem Strömungsquerschnitt des zweiten Laufradgehäuses und dem Freiraum andererseits jeweils eine Dichtungsanordnung mit den zuvor beschriebenen Merkmalen an einem radialen Spalt vorgesehen ist. Die Dichtungsanordnung weist zumindest zwei Dichtungselemente auf, die an dem radialen Spalt in einem Abstand zueinander angeordnet sind.
Im Rahmen der Erfindung kann der radiale Spalt auch durch mehrere axial zueinander versetzte Spaltabschnitte gebildet sein, sodass sich eine Stufenform ergibt. Die einzelnen Dichtungselemente sind aber auch dann stets an den radialen Spaltabschnitten angeordnet.
Im Rahmen der Erfindung wird zwischen dem Wellengehäuse einerseits und dem Laufradgehäuse andererseits unterschieden. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, wenn das Wellengehäuse und das Laufradgehäuse vollständig voneinander trennbar sind. Bei dem Wellengehäuse und dem Laufradgehäuse kann es sich aber auch um Teile eines Gesamtgehäuses handeln. Um an die einzelnen Komponenten der Turbomaschine zu gelangen, kann ein solches Gesamtgehäuse beispielsweise in axialer Richtung in zwei Teile, beispielsweise ein Oberteil und ein Unterteil, trennbar sein.
Wenn die Turbomaschine an der Rotorwelle lediglich ein fliegend angeordnetes Radiallaufrad aufweist, ist in dem Wellengehäuse üblicherweise ein Getriebe oder eine elektrische Maschine als Antrieb bei einem Betrieb als Kompressor oder als Abtrieb bei einem Betrieb als Expander vorgesehen. Wenn die Turbomaschine bei einer Ausgestaltung mit zwei fliegend angeordneten Radiallaufrädern als zweistufiger Kompressor oder zweistufiger Expander vorgesehen ist, ist auch hier ein Getriebe oder eine elektrische Maschine, d.h. ein Motor oder ein Generator, als Antrieb bzw. als Abtrieb notwendig. Bei einem kombinierten Kompander, wenn also ein Radiallaufrad zur Expansion und das andere Radiallaufrad zur Komprimierung vorgesehen sind, kann die Kompressorstufe direkt von der Expansionsstufe angetrieben werden. Zur Abführung überschüssiger oder zur Zuführung fehlender Energie kann aber auch hier ein Getriebe oder eine elektrische Maschine vorgesehen sein.
Die Dichtungsanordnung mit mehreren voneinander beabstandeten Dichtungselementen ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung an einer in Richtung des Wellengehäuses weisenden Rückseite des Radiallaufrades angeordnet, während die Vorderseite des Radiallaufrades zur Komprimierung oder Expansion des Prozessfluids mit Schaufeln versehen ist.
Je nach Prozessfluid kann es erforderlich sein dieses vor Verunreinigung zu schützen oder zu vermeiden, dass Leckageverluste aus dem Prozessfluid in das Wellengehäuse gelangen. Um den Bereich der Dichtungsanordnung zu spülen oder um ein Leckagegas abzuführen, kann an zumindest einer zwischen den Dichtungselementen gebildeten Zwischenkammer eine Anschlussöffnung zur Zuführung eines Sperrgases oder zur Abführung des Leckagegases vorgesehen sein. Diese Zwischenkammer erstreckt sich zumindest abschnittsweise auch entlang des Spaltes in radialer Richtung. Die Anschlussöffnung kann beispielsweise durch eine Bohrung in dem Wellengehäuse gebildet sein, an die eine Zu- oder Abführleitung anschließt.
Als Dichtungselemente der Dichtungsanordnung sind im Rahmen der Erfindung Bürstendichtungen, Gleitringdichtungen sowie wechselweise an dem Spalt angeordnete Vorsprünge geeignet, welche ein Labyrinth bilden. Zur Bildung einer Dichtungsanordnung können gleichartige Dichtungselemente oder unterschiedliche Typen von Dichtungselementen eingesetzt werden. Bei Bürstendichtungen und Gleitringdichtungen sind die einander zugeordneten Dichtflächen zweckmäßigerweise senkrecht zu der Achse der Rotorwelle ausgerichtet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein Querschnitt durch eine Turbomaschine,
2 eine Detailansicht einer alternativen Ausgestaltung einer Turbomaschine im Bereich eines Radiallaufrades.
Die 1 zeigt eine Turbomaschine, die gemäß ihrem allgemeinen Aufbau eine in einem Wellengehäuse 1 gelagerte Rotorwelle 2 aufweist. Lager 3 zur axialen und radialen Lagerung der Rotorwelle 2 sind lediglich exemplarisch angedeutet, wobei ohne Einschränkung Wälzlager, Magnetlager, hydrostatisch geschmierte Lager und/oder hydrodynamisch geschmierte Lager vorgesehen sein können.
In dem Ausführungsbeispiel sind an beiden Enden der Rotorwelle 2 Radiallaufräder 4 fliegend in einem jeweils zugeordneten Laufradgehäuse 5 angeordnet. Schließlich ist innerhalb des Wellengehäuses 1 und auf der Rotorwelle 2 eine elektrische Maschine 6 als Antrieb oder als Abtrieb vorgesehen. Wenn die beiden Radiallaufräder 4 als Stufen eines Kompressors betrieben werden, wird die Rotorwelle 2 von der elektrischen Maschine 6 in Form eines Motors angetrieben. Wenn die Radiallaufräder 4 dagegen Stufen eines Expanders sind, wird die elektrische Maschine 6 als Generator betrieben.
Erfindungsgemäß ist zur fluidischen Trennung jeweils eines radialen Strömungsquerschnittes 7 der Laufradgehäuse 5 und eines die Rotorwelle 2 innerhalb des Wellengehäuses 1 umgebenden Freiraumes 8 eine Dichtungsanordnung 9 mit mehreren voneinander beabstandeten Dichtungselementen 10A, 10B vorgesehen. Erfindungsgemäß ist die gesamte den Druckunterschied zwischen dem Strömungsquerschnitt 7 und dem Freiraum 8 aufrechthaltende Dichtungsanordnung 9 mit ihren Dichtungselementen 10A, 10B in einem radialen Spalt 11 angeordnet, wodurch axiale Abschnitte der Rotorwelle 2 frei von Dichtungen sind. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltungen kann die Rotorwelle 2 deshalb vergleichsweise kurz ausgeführt werden, wodurch der gesamte Rotor rotordynamisch steif ist und hohe spezifische Eigenfrequenzen aufweist.
Als Dichtungselemente 10A, 10B sind in dem Ausführungsbeispiel der 1 an der Rückseite 12 beider Radiallaufräder 4 eine umlaufende Gleitringdichtung als erstes Dichtungselement 10A sowie mehrere, ein Labyrinth bildende, Vorsprünge als weitere Dichtungselemente 10B vorgesehen.
Die 2 zeigt eine Detailansicht einer alternativen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Turbomaschine, wobei der radiale Spalt 11 durch eine stufenförmige Ausgestaltung in Spaltabschnitte 11A, 11B und 11C aufgeteilt ist. An jedem in radialer Richtung verlaufenden Spaltabschnitt 11A, 11B, 11C ist ein Dichtungselement 10C angeordnet, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel exemplarisch als Bürstendichtung ausgebildet ist. Um der Dichtungsanordnung 9 ein Sperrgas zuzuführen oder um von der Dichtungsanordnung 9 eine Leckagegas abführen zu können, ist eine Bohrung 13 in dem Wellengehäuse 1 vorgesehen, die in eine Zwischenkammer 14 zwischen zwei voneinander beabstandeten Dichtungselementen 10C mündet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004041439 A1 [0003]
EP 1281836 B1 [0004]
DE 102006049516 B3 [0004]

Claims

Turbomaschine mit einer in einem Wellengehäuse (1) gelagerten Rotorwelle (2), zumindest einem an einem Wellenende der Rotorwelle (2) in einem Laufradgehäuse (5) angeordneten Radiallaufrad (4) und mit einer Dichtungsanordnung (9) zwischen einem Strömungsquerschnitt (7) des Laufradgehäuses (5) und einem die Rotorwelle (2) innerhalb des Wellengehäuses (1) umgebenden Freiraum (8), wobei die Dichtungsanordnung (9) mehrere voneinander beabstandete Dichtungselemente (10A, 10B, 10C) aufweist, um den Strömungsquerschnitt (7) von dem Freiraum (8) zu trennen, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Dichtungsanordnung (9) mit ihren Dichtungselementen (10A, 10B, 10C) an einem radialen Spalt (11) angeordnet ist, wodurch axiale Abschnitte der Rotorwelle (2) frei von Dichtungen sind.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem ersten Wellenende ein erstes Radiallaufrad (4) in einem ersten Laufradgehäuse (5) und an einem zweiten Wellenende ein zweites Radiallaufrad (4) in einem zweiten Laufradgehäuse (5) angeordnet sind, wobei zwischen einem Strömungsquerschnitt (7) des ersten Laufradgehäuses (5) und dem Freiraum (8) einerseits sowie einem Strömungsquerschnitt (7) des zweiten Laufradgehäuses (5) und dem Freiraum (8) andererseits jeweils eine Dichtungsanordnung (9) an einem radialen Spalt (11) vorgesehen ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wellengehäuse (1) eine elektrische Maschine (6) angeordnet ist.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (9) an einer in Richtung des Wellengehäuses (1) weisenden Rückseite (12) des Radiallaufrades (4) angeordnet ist.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einer zwischen den Dichtungselementen (10C) gebildeten Zwischenkammer (14) eine Anschlussöffnung zur Zuführung eines Sperrgases oder zur Abführung eines Leckagegases vorgesehen ist.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (9) zumindest ein Dichtungselement (10C) in Form einer Bürstendichtung aufweist, wobei die einander zugeordneten Dichtflächen der Bürstendichtung senkrecht zu der Achse der Rotorwelle (2) ausgerichtet sind.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (9) zumindest ein Dichtungselement in Form einer Gleitringdichtung (10A) aufweist, wobei die einander zugeordneten Dichtflächen der Gleitringdichtung senkrecht zu der Achse der Rotorwelle (2) ausgerichtet sind.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (9) zumindest ein Labyrinth aus voneinander beabstandeten Dichtungselementen (10B) in Form von Vorsprüngen aufweist, die an beiden den radialen Spalt (11) begrenzenden Flächen abwechselnd angeordnet sind.