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Die Erfindung betrifft Strömungsmaschine mit einem Gehäuseunterteil, einem in das Gehäuseunterteil von oben eingelegten Verbund – umfassend zwei gegenüberliegende Gehäusedeckel und einen durch beide Gehäusedeckel hindurch geführten Läufer mit einer Welle – und einem Gehäuseoberteil, das den Verbund von oben umschließt und am Gehäuseunterteil befestigt ist.
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Strömungsmaschinen dienen zum Entspannen oder Verdichten von Gasen. So werden bei einer Turbine Eintrittsgase mit einem hohen Druck in die Turbine eingeführt und entspannen sich dort unter Abgabe von Energie an den Läufer. Verdichter wiederum dienen zur Verdichtung von Luft oder anderen Gasen auf Enddrücke von bis zu 100 bar und mehr. Hierbei können auch aggressive Gase verdichtet werden, die nicht in die Umgebung gelangen sollen. Entsprechend sind Strömungsmaschinen so abzudichten, dass deren Betriebsgase nicht oder nur unwesentlich durch die Spalte zwischen Welle und Gehäuse nach außen entweichen können.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Strömungsmaschine anzugeben, mit der eine zuverlässige Wellenabdichtung erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art gelöst, bei der zumindest einer der Deckel ein um die Welle herum geführtes Temperiermittel zum Temperieren des Deckels im Bereich um die Welle aufweist. Einer temperaturbedingten Bewegung von Deckel und Welle zueinander kann entgegengewirkt werden.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass Strömungsmaschinen mit Gasen beaufschlagt werden, deren Temperatur zum Teil erheblich von der Gehäusetemperatur der Strömungsmaschine abweichen kann. So wird beispielsweise eine Turbine mit einem heißen Gas beaufschlagt, das sich in der Turbine entspannt. Entsprechend werden manche Elemente der Turbine durch das heiße Gas mehr erhitzt als andere. Bei Verdichtern kann es wiederum vorkommen, dass extrem kalte Gase eingeführt und verdichtet werden, so dass diese das Gehäuse am Ort der Einströmung stark abkühlen. Je nach Führung des Betriebsgases durch die Strömungsmaschine kühlen sich unterschiedliche Elemente der Strömungsmaschine unterschiedlich schnell ab. Dies betrifft auch die beiden axialen Deckel des Gehäuses, die sich relativ zur Welle und zum Gehäuse verhältnismäßig schnell und stark abkühlen oder erwärmen.
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Bei in Deckeln gelagerten Wellen ist eine Wellendichtung zwischen der Welle und den sie lagernden axialen Deckeln angeordnet, beispielsweise eine Labyrinthdichtung oder einer Fluiddichtung, die einen Spalt zwischen ihrem rotierenden Teil auf der Welle und statischem Teil am Deckel aufweist. Schlägt eine solche Abkühlung oder Erwärmung auf den Dichtbereich durch, so kann dies zu Nachteilen hinsichtlich der Abdichtung führen.
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Zur Gewährleistung einer optimalen Abdichtung sollte der Spalt möglichst klein sein, er muss jedoch gerade noch groß genug sein, um ein Anstoßen der Elemente im Betrieb der Welle zu vermeiden. Kühlt der Deckel um die Welle ab, so zieht er sich zusammen, so dass der Spalt wächst, so dass die Abdichtung schlechter wird. Anders herum schrumpft der Spalt bei einer starken Erwärmung des Deckels, z.B. an der Gasauslassseite eines Verdichters. Um ein Anstoßen zu vermeiden, muss der Spalt in diesem Fall so gewählt sein, dass er bei allen erlaubten Betriebstemperaturen des Deckels entsprechend groß genug ist. Hierdurch muss der Dichtungsspalt relativ groß dimensioniert werden, was einer guten Abdichtung abträglich ist.
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Während dieses Problem bei kleineren Maschinen durch eine gute Lagerung der Welle und eine geschickte Dimensionierung des Dichtspalts befriedigend gelöst werden kann, ist das Problem bei großen Maschinen aufwendiger zu lösen. Denn durch die großen Abmessungen des Deckels fällt auch die thermische Ausdehnung pro Grad Temperaturbewegung entsprechend groß aus, so dass sich der Dichtspalt bei einer Abkühlung des Deckels um 100 K mehrere Millimeter bewegen kann. Solche Temperaturbewegungen sind durch eine gute thermische Isolierung des Deckels und eine geschickte Dimensionierung des Dichtspalts schwerer in der Weise lösbar, dass eine gute Dichtung der Welle erreicht wird.
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Große Maschinen zeichnen sich unter anderen dadurch aus, dass ihre Deckelabdichtung über zwei oder mehr Abdichtungsstufen erfolgen kann, wobei die innere Stufe einen größeren Durchmesser als die äußere Stufe aufweist. Der Deckel kann bei dieser Konstruktion zur Abdichtung gegen das Gehäuse nach axial außen gegen die Dichtungen gedrückt werden. Diese Ausführung macht es allerdings erforderlich, den Läufer zusammen mit den beiden Deckeln als eine Montageeinheit beziehungsweise als einen Verbund in das Unterteil des Gehäuses einzulegen.
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Durch das Temperiermittel des Deckels kann der Deckel von großen Maschinen während des Betriebs im Bereich um die Welle so temperiert werden, dass sich der Spalt im Betrieb wenig verändert, so dass er von seinen Abmessungen her nahe einer für die Abdichtung optimalen Spaltdicke verbleibt. Auf eine aufwändige thermische Isolierung des Deckels kann verzichtet werden oder der Isolierungsaufwand kann gering gehalten werden.
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Das Temperiermittel kann ein Heizmittel und/oder ein Kühlmittel sein. Zweckmäßigerweise ist es sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen einsetzbar. Dies ist besonders bei einem Verdichter vorteilhaft, da bei diesem der Gehäusedeckel am Gaseinlass durch eintretenden kalte Gase abkühlt und der Gehäusedeckel am Gasauslass durch austretende heiße Gase erhitzt wird. Mithilfe des Temperiermittels, das zweckmäßigerweise in beiden Deckeln in gleicher Weise betrieben wird, kann der Gehäusedeckel am Gaseinlass geheizt und der Gehäusedeckel am Gasauslass gekühlt werden.
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Die Strömungsmaschine kann eine Entspannungsmaschine, wie eine Turbine, oder ein Verdichter sein, beispielsweise ein Turboverdichter, insbesondere eine Einwellenradialverdichter. Der Verbund kann neben dem Deckel und dem Läufer weitere Elemente enthalten, beispielsweise einen Strömungsleitapparat, insbesondere einen Eintrittsleitapparat.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Temperiermittel um eine Wellendichtung herum geführt, die zwischen dem Deckel und der Welle angeordnet ist. Hierdurch kann die Wellendichtung rings herum von der von außen einwirkenden unerwünschten Temperatur, Wärme oder Kälte, geschützt werden.
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Eine Temperierung des Deckels, insbesondere des Dichtbereichs des Deckels um die Welle herum, kann auf mehrere Wege erfolgen. Es können Heizspulen verwendet werden, deren Elektrizität jedoch gut abgeschirmt werden muss. Auch die Verwendung von Heizkissen ist möglich, die jedoch gut abgedichtet und druckfest sein müssen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Temperiermittel einen ersten Temperierkanal im Deckel aufweist, der fluidtechnisch mit einem Temperierflüssigkeitsreservoir verbunden ist. Auf diese Weise kann Temperierflüssigkeit auf eine gewünschte Temperatur gebracht und um die Welle bzw. die Wellendichtung geleitet werden, wo sie ihre Wärme oder Kälte abgibt.
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Hierzu ist das Vorhandensein einer Temperierflüssigkeit notwendig, die jede sinnvolle Flüssigkeit sein kann. Wird jedoch Lageröl als Temperierflüssigkeit verwendet, das zur Lagerung der Welle vorgesehen ist, so wird das Lageröl zu mehreren Zwecken verwendet, so dass auf ein weiteres Flüssigkeitsreservoir und ein zusätzliches Flüssigkeitstemperiermittel verzichtet werden kann.
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Vorteilhafterweise ist der Temperierkanal der Länge nach unmittelbar in den Deckel eingearbeitet, so dass die Temperierflüssigkeit direkt durch den Deckel fließt. Besonders vorteilhaft ist der Temperierkanal in die innere Seite des Deckels eingearbeitet. Da diese unmittelbar mit dem Betriebsgas in Verbindung kommt, ist sie besonders kalt oder heiß, so dass sich der Deckel von dort aus stark abkühlt oder erhitzt. Ist der Temperierkanal in die innere Seite des Deckels eingearbeitet, kann dieser unerwünschten Temperatureinwirkung besonders effektiv entgegen gewirkt werden. An der inneren Seite des Deckels kann ein Strömungsleitapparat liegen, der ein Eintrittsleitapparat oder ein Austrittsleitapparat sein kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Temperiermittel einen radial außerhalb des ersten Temperierkanals angeordneten zweiten Temperierkanal auf. Hierdurch kann eine besonders lückenlose Temperaturabschirmung des Dichtungsbereichs erzielt werden. Der zweite Temperierkanal kann unmittelbar mit dem ersten Temperierkanal verbunden sein, so dass eine Durchströmung beider Kanäle nacheinander erfolgt, oder getrennt sein, so dass beispielsweise eine parallele Durchströmung erfolgt.
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Zweckmäßigerweise ist der Temperierkanal offen-ringförmig um die Welle geführt. Insbesondere wenn er hierbei in einer axialen Ebene liegt, muss der Ring offen sein, um einen Einlass und einen Auslass zuzulassen. Durch diese Öffnung des Rings, die im Folgenden als temperierkanalfreie Lücke bezeichnet wird, kann Wärme oder Kälte radial von außen in den inneren Bereich des Kanals und damit zur Wellendichtung vordringen. Um dies zu vermeiden, wird weiter vorgeschlagen, dass der zweite Temperierkanal so um den ersten Temperierkanal geführt, dass eine tangentiale temperierkanalfreie Lücke im Bereich des ersten Temperierkanals nach radial außen vom zweiten Temperierkanal abgeschirmt wird.
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Je enger ein Deckelbereich an der Wellendichtung angeordnet ist, desto wichtiger ist seine genaue Temperaturführung. Um diese zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die beiden Temperierkanäle so miteinander verbunden sind, dass Temperierflüssigkeit vom Temperierflüssigkeitsreservoir zuerst durch den radial inneren Temperierkanal und von dort in den radial äußeren Temperierkanal fließt, bevor es in das Temperierflüssigkeitsreservoir zurückkehrt.
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Unerwünschte Wärme oder Kälte kann nicht nur von radial außen zur Wellendichtung dringen, sondern auch in axialer Richtung. Daher ist es vorteilhaft, wenn es Temperierkanäle unterschiedlicher Funktion gibt, insbesondere eine radiale Abschirmfunktion und eine axiale Abschirmfunktion. Beide Funktionen können erreicht werden, wenn beide Temperierkanäle einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und einer der Temperierkanäle eine längere Ausdehnung in Axialrichtung und der andere der Temperierkanäle eine längere Ausdehnung in Radialrichtung aufweist. Bei einer längeren Ausdehnung in Axialrichtung kann eine radiale Abschirmung und bei einer längeren Ausdehnung in Radialrichtung eine axiale Abschirmung erreicht werden.
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Zweckmäßigerweise weist der radial äußere Temperierkanal eine längere Ausdehnung in Axialrichtung und der radial innere Temperierkanal eine längere Ausdehnung in Radialrichtung auf. Hierdurch kann der radial innerste Bereich am effektivsten gegen Wärme oder Kälte von einem Eintrittsleitapparat abgeschirmt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Gaszufuhr für eine Wellendichtung radial zwischen zwei Temperierkanälen des Temperiermittels geführt. Hierdurch kann zur Wellendichtung geführtes Gas auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden und somit eine gute Abdichtung erhalten bleiben. Die Wellendichtung kann eine gas- oder ölbetriebene Fluiddichtung sein. Auch eine Labyrinthdichtung ist möglich.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Das Ausführungsbeispiel dient der Erläuterung der Erfindung und beschränkt die Erfindung nicht auf die darin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale des Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet und mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Strömungsmaschine,
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2 ein Gehäuseunterteil der Strömungsmaschine mit einem eingelegten Deckel,
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3 eine Schnittdarstellung eines radial inneren Teils des Deckels um die Welle mit mehreren Temperierkanälen und
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4 eine axiale Draufsicht auf die Führung von zwei Temperierkanälen.
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Bei großen Strömungsmaschinen ist das Gehäuse in ein Gehäuseunterteil und ein Gehäuseoberteil zweigeteilt. Zur Montage der Strömungsmaschine wird zunächst das Gehäuseunterteil aufgestellt und dann wird ein Läuferverbund von oben in das Gehäuseunterteil eingesetzt. Dies ist in 1 schematisch dargestellt. Das Gehäuseunterteil 4 der Strömungsmaschine 2 steht auf einem festen Untergrund und der Verbund 6 wird von oben in das Gehäuseunterteil 4 abgesenkt. Anschließend wird das Gehäuseoberteil 8 auf das Gehäuseunterteil 4 aufgesetzt und mit diesem verschraubt, sodass sich das gesamte Gehäuse 10 ergibt. Der Verbund ist vom Gehäuse 10 umschlossen, wobei zwei Deckel 12 des Verbunds 6 von außen sichtbar bleiben und auch als Teil des Gehäuses 10 bezeichnet werden können. Die beiden Deckel 12 wiederum sind verbunden mit dem Läufer 14, dessen Welle 16 durch die beiden Deckel 12 hindurchgeführt ist und in den beiden Deckeln 12 mit einer nicht dargestellten Wellendichtung abgedichtet ist. Der Läufer umfasst neben der Welle 16 mehrere Laufräder der Strömungsmaschine. Deckel 12 und Läufer 14 mit Welle 16, sowie ggf. weitere Bauelemente, bilden den Verbund 6.
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2 zeigt das Gehäuseunterteil 4 mit einem der beiden Deckel 12 in einer groben perspektivischen Darstellung. Die Strömungsmaschine 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Einwellenradialverdichter mit einem Gaseinlass 18 und einem Gasauslass 20. Das zu verdichtende Gas strömt durch den Gaseinlass 18 in die Strömungsmaschine 2, wird durch die Rotation des Läufers 14 verdichtet und verlässt die Strömungsmaschine 2 in verdichtetem und aufgeheizten Zustand durch den Gasauslass 20. Über Stützen 22 ist das Gehäuseunterteil 4 am festen Boden befestigt.
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2 zeigt keinen Montagezustand der Strömungsmaschine 2, da der Deckel 12 der besseren Darstellbarkeit halber einzeln und ohne den Läufer 14 und den weiteren gegenüberliegenden Deckel 12 dargestellt ist. Vollständig wäre die 2 so zu denken, dass der gezeigte Deckel 12 auf die Welle 16 des Läufers 14 aufgesetzt ist und der gegenüberliegende Deckel 12 ebenfalls auf der Welle 16 positioniert ist. Dieser Verbund 6 ist nun bei dem in 2 gezeigten Zustand in das Gehäuseunterteil 4 abgelegt.
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3 zeigt einen radial inneren Teil des Deckels 12 um die Welle 16 in einer geschnittenen Darstellung. In einem Dichtbereich 24 sind mehrere Dichtungselemente 26 einer Wellendichtung angeordnet, die einen inneren Gasbereich des Verdichters 2 gegen den Außenbereich des Verdichters 2 atmosphärisch abschirmt. Axial im Dichtbereich 24 weist der Deckel 12 ein Temperiermittel 28 auf, das mehrere Temperierkanäle 32, 34 umfasst. Zur guten Temperierung von Dichtfluid ist zwischen den Temperierkanälen 32, 34 eine Fluidzufuhr 36 zum Zuführen von Gas oder Dichtöl zu zumindest einem der Dichtungselemente 26 angeordnet. Axial weiter außen ist eine Lagerung 38 der Welle 16 in einem Lagerbock 40 gezeigt. Axial innerhalb des Deckels 12 ist ein Gehäusedeckeleinsatz 42 eines Eintrittsleitapparats dargestellt, der das einströmende und zu verdichtende Betriebsgas zu dem Schaufeln des Läufers 14 lenkt.
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Die beiden Temperierkanäle 32, 34 sind in 4 in einer schematischen axialen Schnittdarstellung gezeigt. Lageröl als Temperierflüssigkeit wird in einem Temperierflüssigkeitsreservoir 44 gespeichert, von dort zu einer Heizung 46 gepumpt, die auch als Kühler zum Abkühlen der Temperierflüssigkeit verwendet werden kann, und dort auf eine gewünschte Temperatur gebracht, also gegenüber der Umgebung abgekühlt oder erwärmt. Über eine Zuleitung 48 erreicht die Temperierflüssigkeit den radial inneren Temperierkanal 34, umfließt die nicht dargestellte Welle 16 ringförmig in einem nicht ganz geschlossenen Kreis, um über einen Verbindungskanal 50 den äußeren Temperierkanal 32 zu erreichen. Dort strömt die Temperierflüssigkeit in tangential entgegengesetzter Richtung im äußeren Temperierkanal 32 wieder ringförmig um die Welle 16, um danach über einen Auslass 52 wieder dem Temperierflüssigkeitsreservoir 44 zugeführt zu werden.
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Durch die entgegengesetzte tangentiale Strömungsrichtung in den beiden Temperierkanälen 32, 34 wird eine gleichmäßige tangentiale Temperierung des Deckels 12 um die Welle 16 erreicht. Der radial innerste Temperierkanal 34 wird mit der Zuführung 48 direkt mit Temperierflüssigkeit aus der Heizung 46 versorgt, so dass dort die Temperatur genau einstellbar ist, was im innersten Bereich des Deckels 12 besonderes vorteilhaft ist.
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Die beiden Temperierkanäle 32, 34 sind so zueinander geführt, dass der radial äußere Temperierkanal 32 radial um eine tangentiale temperierkanalfreie Lücke 54 des inneren Temperierkanals 32 geführt ist, so dass die Welle 16 in Radialrichtung im Bereich der Lücke 54 vom äußeren Temperierkanal 32 abgeschirmt ist.
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Der äußere Temperierkanal 32 ist als Radialkanal ausgeführt, seine Funktion besteht in erster Linie in der radialen Temperaturabschirmung. Entsprechend ist sein rechteckig, länglicher Querschnitt in Axialrichtung länger als in Radialrichtung. Der radial innere Temperierkanal 34 ist als Axialkanal ausgeführt, seine Funktion besteht in erster Linie in der axialen Temperaturabschirmung. Entsprechend ist sein rechteckig, länglicher Querschnitt in Radialrichtung länger als in Axialrichtung. Anstelle des Axialkanals 34 kann auch ein weiterer Radialkanal vorhanden sein.
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Beide Temperierkanäle 32, 34 sind in die Innenseite des Deckels 12 eingebracht. Durch den Axialkanal 34 wird der Deckel 12 vornehmlich gegen Kälte vom Strömungsleitapparat bzw. Gehäusedeckeleinsatz 42 abgeschirmt. Der Radialkanal 32 schirmt den inneren Bereich des Deckels 12 von Kälte aus dem Gaseinlass 18 ab, die überwiegend radial von außen nach innen im Deckel 12 dringt.
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Durch alle Kanäle 32, 34 wird der innere Bereich des Deckels 12 gegen vom einströmenden und zu verdichtenden Gas ausgehender Kälte abgeschirmt, so dass der innere Bereich des Deckels 12 und damit auch die Wellendichtung in einem gewünschten Temperaturbereich gehalten wird.
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Die 3 und 4 zeigen nur den am Gaseinlass 18 gelegenem axialen Deckel 12 des Gehäuses 10. Gleichermaßen ist jedoch auch der Deckel 12 am Auslass 20 gebildet. Auch er enthält die Temperierkanäle in gleicher Ausführung, die parallel zu den Temperierkanälen 32, 34 des einlassseitigen Deckels 12 mit dem Temperierflüssigkeitsreservoir 44 verbunden sind. Sie werden daher mit der gleichen Temperierflüssigkeit gespeist, die durch Zuführungen 48 mit gleicher Temperatur zu beiden Deckeln 12 geführt wird. Da der einlassseitige Deckel 12 vom Betriebsgas gekühlt und der auslassseitige Deckel 12 erwärmt wird, übernimmt die gleiche Flüssigkeit in beiden Deckeln 12 unterschiedliche Funktionen, nämlich im einlassseitigen Deckel 12 die Heizung und im auslassseitigen Deckel 12 die Kühlung.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
