DE102014203466B4

DE102014203466B4 - Gehäuse einer Fluidenergiemaschine

Info

Publication number: DE102014203466B4
Application number: DE102014203466.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Weule
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: US20170058910A1; CN106062377A; EP3084229A1; RU2640878C1; DE102014203466A1; US10208761B2; EP3084229B1; CN106062377B; WO2015128144A1

Abstract

Gehäuse (CAS) einer Fluidenergiemaschine (FEM), die sich entlang einer Längsachse (X) erstreckt, umfassend: – einen Gehäusemantel (CAC), der sich axial erstreckt, – einen Gehäusedeckel (COV) zum Verschließen einer axial stirnseitigen Gehäuseöffnung (COP) des Gehäusemantels (CAC), – einen ringförmigen Einsatz (CSP), der sich in dem Gehäuse (CAS) in einer Umfangsrichtung (CD) erstreckt, und an dem Gehäusemantel (CAC) und an dem Gehäusedeckel (COV) anliegt, – eine erste Dichtung (S1) zwischen dem Gehäusedeckel (COV) und dem Gehäusemantel (CAC), gekennzeichnet durch – eine zweite Dichtung (S2) zwischen dem Gehäusemantel (CAC) und dem ringförmigen Einsatz (CSP), – eine dritte Dichtung (S3) zwischen dem Gehäusedeckel (COV) und dem ringförmigen Einsatz (CSP).

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse einer Fluidenergiemaschine, die sich entlang einer Längsachse erstreckt, umfassend einen Gehäusemantel, der sich axial erstreckt, einen Gehäusedeckel zum Verschließen einer axial stirnseitigen Gehäuseöffnung des Gehäusemantels, einen ringförmigen Einsatz, der sich in dem Gehäuse in einer Umfangsrichtung erstreckt, und an dem Gehäusemantel und an dem Gehäusedeckel anliegt, eine erste Dichtung zwischen dem Gehäusedeckel und dem Gehäusemantel.
Alle Richtungsangaben, wie axial, radial, Umfangsrichtung beziehen sich – wenn nicht anders angegeben – auf die Längsachse des Gehäuses. Im Falle der Turbofluidenergiemaschine ist die Längsachse im Wesentlichen koinzident mit der Rotationsachse eines die einzelnen Impellers bzw. Laufräder tragenden Rotors. Ein Versatz der Rotationsachse und der Gehäuselängsachse bei einer Turbofluidenergiemaschine ergibt sich in der Regel aus der Ausrichtung der beiden Bauteile zueinander.
Derartige Gehäuse sind bereits aus der Patentschrift DE 10 2012 223 462 B3 bekannt. Aus der DE 42 25 687 A1 ist bereits ein Spiralnutring bekannt in Entsprechung zu dem ringförmigen Einsatz im Gattungsbegriff des Hauptanspruchs.
Insbesondere in dem Bereich von Radialturboverdichtern und Radialturboexpandern ist der Einsatz derartiger Gehäuse üblich.
In der Begriffswelt dieser Patentanmeldung bedeutet das Wort „Gehäusemantel” eine bevorzugt im Wesentlichen zylindrische Gehäuseform entlang einer Längsachse, die auf mindestens einer axialen Seite einen lösbar befestigten Deckel aufweist und auf der anderen Seite entweder geschlossen ausgebildet ist – also einstückig mit einem verschließenden stirnseitigen mindestens einer axialen stirnseitigen Seite eine Durchführung für eine Welle auf, die Drehmomente auf oder von dem Läufer einer Fluidenergiemaschine zu dem Gehäuse nach der Erfindung überträgt. Diese Welle weist in der Regel eine Drehachse auf, die im Wesentlichen mit der Gehäuselängsachse übereinstimmt. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung liegt im Bereich der radialen Fluidenergiemaschinen, wobei grundsätzlich auch eine Anwendung im Bereich der axialen Fluidenergiemaschinen denkbar ist.
Im Einzelnen beschäftigt sich die Erfindung mit der statischen Abdichtung des Gehäusedeckels zu dem Gehäusemantel unter Einsatz eines zusätzlichen ringförmigen Einsatzes. Insbesondere bei der Verdichtung oder Expansion von toxischen oder explosiven oder auf andere Weise gefährlichen Fluiden, ist eine zuverlässige Abdichtung des Deckels zu dem Gehäusemantel aus Sicherheitsgründen betriebsnotwendig.
Um ein etwaiges Versagen der Dichtung zwischen dem Gehäusemantel und dem Deckel zu registrieren, ist es bekannt, zwischen einem Inneren des Gehäuses mit einem potentiell riskanten Prozessfluid und der Umgebung in Reihenanordnung z mindestens einer Dichtung, die den Deckel abdichtet, einen Zwischenraum vorzusehen, der auf einen Austritt des Prozessgases überwacht wird. Bevorzugt ist dieser Zwischenraum auch gegenüber der Umgebung abgedichtet, so dass im Falle des Defektes der inneren Dichtung kein potentiell gefährliches Prozessgas in die Umgebung austreten kann und eine Überwachung des Zwischenraumes die Notwendigkeit einer Auswechselung der inneren Dichtung anzeigt.
Aus der oben erwähnten DE 10 2012 223 462 B3 ist es bereits bekannt, radialen Bauraum einzusparen, indem neben einem radialen Versatz zwischen einer inneren Dichtung, die den Zwischenraum zu dem Inneren der Maschine abdichtet und einer äußeren Dichtung, die den Zwischenraum, der überwacht wird, gegenüber der Umgebung abdichtet, auch ein Axialversatz vorgesehen wird. Dadurch wird der Zwischenraum hinreichend groß bei kleiner radialer Ausdehnung, indem die erforderliche Größe des Zwischenraumes nicht nur durch radialen Bauraum erreicht wird, sondern auch die Möglichkeit axialen Bauraums ausgenutzt wird.
Dennoch erfordert die bekannte Dichtungsanordnung mehr radialen Bauraum als gewünscht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art derart fortzubilden, dass eine weitere Einsparung radialen Bauraums möglich ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt mittels eines Gehäuses der eingangs genannten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Alle Richtungsangaben, wie axial, radial, Umfangsrichtung beziehen sich – wenn nicht anders angegeben – auf die Längsachse des Gehäuses. Im Falle der Turbofluidenergiemaschine ist die Längsachse im Wesentlichen koinzident mit der Rotationsachse eines einzelnen Impellers tragenden Rotors.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass abgedichtet von der ersten Dichtung, der zweiten Dichtung und der dritten Dichtung ein abgedichteter Zwischenraum von dem Gehäusemantel, Gehäusedeckel und dem ringförmigen Einsatz abgegrenzt wird und dieser abgedichtete Zwischenraum an einer Überwachungsleitung angeschlossen ist. Die Überwachungsleitung schließt den abgedichteten Zwischenraum an eine Überwachung an, die im Falle der Detektion von Prozessfluid in dem Zwischenraum ein Signal an eine Steuerung sendet, die ggf. anzeigt, dass eine Undichtigkeit vorliegt. Für den Fall, dass die Undichtigkeit detektiert worden ist, ist es sinnvoll, zumindest bei dem nächsten planmäßigen Stillstand der Maschine, die defekte Dichtung auszuwechseln. Im Falle eines potentiell gefährlichen Prozessfluids ist es zu bevorzugen, die Detektion einer Leckage zum Anlass zu nehmen, die Fluidenergiemaschine direkt zum Stillstand zu bringen und den Defekt sofort zu reparieren bevor ein Weiterbetrieb stattfindet.
Zweckmäßig ist eine Umfangsnut für die erste Dichtung in dem Gehäusedeckel vorgesehen. Ebenfalls bevorzugt ist in dem Gehäusedeckel eine zweite Umfangsnut für die zweite Dichtung angeordnet. Diese Dichtungen können z. B. als Oringdichtung ausgeführt sein. Eine andere Art der Dichtungsausführung ist beispielsweise eine sogenannte Cup-Seal-Dichtung. Bei einem derartigen Dichtungstyp kommt es zu einer Aufweitung der Dichtung wenn in Abdichtungsrichtung ein entsprechender Differenzdruck aufgebracht wird. Die Anlagekraft der Dichtungsflanken ist bei der sogenannten Cup-Seal-Dichtung abhängig von dem anliegenden Differenzdruck über die Dichtung.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Einsatz eine dritte Umfangsnut aufweist, in der sich die dritte Dichtung befindet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Umfangsnut und/oder die zweite Umfangsnut mit ihrer Nutöffnung in axiale Richtung weisen. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die dritte Umfangsnut für die dritte Dichtung in radiale Richtung weist.
Die Gehäuse der erfindungsgemäßen Art finden bevorzugt als sogenannte Topfgehäuse Anwendung, bei denen keine horizontale Teilfuge des Gehäuses vorgesehen ist und das Gehäuse axial stirnseitig auf mindestens einer axialen Seite mittels eines Deckels verschlossen ist. Die andere axiale Stirnseite ist, damit der Verdichter bzw. Expander die gewünschte Funktionsweise aufweist, axial stirnseitig ebenfalls verschlossen. Der Gehäusedeckel ist hierbei lösbar an dem Gehäusemantel befestigt. Auf der anderen axialen Stirnseite kann ebenfalls ein lösbar an dem Gehäusemantel befestigter Gehäusedeckel vorgesehen sein. Alternativ weist das Gehäuse auf dieser axialen Stirnseite eine einstückige Ausbildung der stirnseitig verschließenden Gehäuseseite bzw. des Gehäusedeckels mit dem Gehäusemantel auf. Der Gehäusemantel kann als Schmiedebauteil, Schweißkonstruktion oder als Gussbauteil ausgebildet sein, insbesondere, wenn der Gehäusemantel einstückig mit dem nicht lösbar an dem Gehäusemantel befestigten Gehäusedeckel ausgebildet ist.
Eine besonders bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass der Einsatz in dem Gehäusemantel ein Spiraleinsatz einer Turbofluidenergiemaschine ist und das Gehäuse als ein Topfspiralgehäuse ausgebildet ist. Bei dieser bevorzugten Ausbildung der Erfindung wirken das Topfspiralgehäuse und der Spiraleinsatz derart zusammen, dass ein sich in Umfangsrichtung durch die Kombination der beiden Bauteile sich spiralartig aufweitender Sammelkanal für aus einem Impeller bzw. Laufrad austretendes Prozessfluid ergibt, der schließlich in einen Austrittsstutzen mündet. Diese Sammelspirale sorgt für einen besonders effizienten Druckaufbau des aus dem Laufrad austretenden Prozessfluid durch eine möglichst verlustfreie Verzögerung.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf schematische Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen axialen Längsschnitt durch einen Teil einer Turbofluidenergiemaschine,
2 eine Detaildarstellung eines Ausschnitts aus der 1 (dort angegeben mit II).
1 zeigt eine schematische Darstellung eines axialen Längsschnitts eines Teiles einer Fluidenergiemaschine FEM, hier einer Turbofluidenergiemaschine TFEM, mit einem Gehäuse CAS, das ein Gehäusemantel CAC, einen Gehäusedeckel COV und einen ringförmigen Einsatz CSP umfasst. Der Gehäusedeckel COV verschließt eine Gehäuseöffnung COP axial stirnseitig des Gehäusemantels CAC. In dem Gehäuse CAS ist ein Laufrad IMP eines Rotors R entlang einer Rotationsachse X drehbar angeordnet. Auf der von dem Gehäusedeckel COV abgewandten axialen Stirnseite des Gehäuse CAS ist eine axiale Öffnung vorgesehen, durch die der Rotor R mittels einer Welle SH des Rotors R zur Übertragung eines Drehmomentes herausgeführt ist.
Der Gehäusedeckel COV weist eine Eintrittsöffnung IN auf, durch die Prozessfluid PF von dem Laufrad IMP axial angesaugt wird, welches radial aus dem Laufrad IMP austritt und in einer Sammelspirale SP des ringförmigen Einsatzes CSP vor einem Austritt aus dem Gehäuse CAS gesammelt wird. Im Inneren IC des Gehäuses CAS herrscht im Wesentlichen der maximale Druck des Prozessfluids PF.
Die in der 2 im Detail dargestellte Dichtungsanordnung des Gehäuses CAS nach der Erfindung dichtet diesen Druck des Prozessfluids PF gegenüber der Umgebung ab.
Der ringförmige Einsatz CSP bildet gemeinsam mit dem Gehäusemantel CAC und dem Gehäusedeckel COV einen sich in Umfangsrichtung CD erstreckenden Zwischenraum ISP. Mittels einer Überwachungsleitung ISC ist der Zwischenraum ISP an eine Überwachungsvorrichtung MU mit Sensoren SEN angeschlossen. Im Falle, dass Prozessfluid PF in dem Zwischenraum ISP detektiert wird, leitet die Überwachungsvorrichtung MU ein Signal an eine zentrale Steuerung CU, wobei das Signal angibt, dass eine Leckage des Prozessfluids PF vorliegt. Diese Leckage wird einem Bedienpersonal optisch und/oder akustisch zur Kenntnis gebracht mittels eines gängigen Human-Machine-Interface (HMI).
Der Zwischenraum ISP ist mittels einer ersten Dichtung S1, einer zweiten Dichtung S2 und einer dritten Dichtung S3 abgedichtet. Hierbei dichtet die in einer ersten Dichtnut SG1 befindliche erste Dichtung S1 den Zwischenraum ISP derart ab, dass ein angrenzender Spalt zwischen dem Gehäusedeckel COV und dem Gehäusemantel CAC gedichtet wird. Die zweite Dichtung S2 in einer zweiten Dichtnut SG2 des ringförmigen Einsatzes CSP angeordnet dichtet einen angrenzenden Spalt zwischen dem Gehäusemantel CAS und dem ringförmigen Einsatz CSP ab. Die dritte Dichtung S3, die sich in einer dritten Dichtnut SG3 des Gehäusedeckels COV befindet, dichtet einen angrenzenden Spalt zwischen dem ringförmigen Einsatz CSP und dem Gehäusedeckel COV ab. Im Falle des Versagens der dritten Dichtung S3 oder der zweiten Dichtung S2 dringt Prozessfluid PF in den Zwischenraum ISP ein, so dass die Überwachungseinheit MU eine Leckage detektiert. Die mittels der zentralen Steuerung CU durch Anzeigegeräte HMI angezeigte Leckage fordert das Bedienpersonal der Maschine dazu auf, die defekte Dichtung auszutauschen bzw. die Undichtigkeit zu reparieren.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine radial besonders platzsparende Bauweise, weil der überwachte Zwischenraum ISP aus dem Bereich ausschließlich zwischen dem ringförmigen Einsatz CSP und dem Gehäusemantel CAC radial nach innen verlagert worden ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass die erste Dichtung S1 ebenfalls nach radial innen versetzt wird. Somit kann der ersten Dichtung nach radial innen nachfolgend auch der Teilkreis für Befestigungsschrauben SCR für den Deckel COV an dem Gehäusemantel CAC kleiner gewählt werden.

Claims

Gehäuse (CAS) einer Fluidenergiemaschine (FEM), die sich entlang einer Längsachse (X) erstreckt, umfassend: – einen Gehäusemantel (CAC), der sich axial erstreckt, – einen Gehäusedeckel (COV) zum Verschließen einer axial stirnseitigen Gehäuseöffnung (COP) des Gehäusemantels (CAC), – einen ringförmigen Einsatz (CSP), der sich in dem Gehäuse (CAS) in einer Umfangsrichtung (CD) erstreckt, und an dem Gehäusemantel (CAC) und an dem Gehäusedeckel (COV) anliegt, – eine erste Dichtung (S1) zwischen dem Gehäusedeckel (COV) und dem Gehäusemantel (CAC), gekennzeichnet durch – eine zweite Dichtung (S2) zwischen dem Gehäusemantel (CAC) und dem ringförmigen Einsatz (CSP), – eine dritte Dichtung (S3) zwischen dem Gehäusedeckel (COV) und dem ringförmigen Einsatz (CSP).
Gehäuse (CAS) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (CAS) einen abgedichteten Zwischenraum (ISP) umfasst, der von der ersten Dichtung (S1), der zweiten Dichtung (S2) und der dritten Dichtung (S3) abgedichtet ist und von dem Gehäusemantel (CAC), dem Gehäusedeckel (COV) und dem ringförmigen Einsatz (CSP) abgegrenzt wird und dieser Zwischenraum (ISP) an eine Überwachungsleitung (ISC) angeschlossen ist, die den Zwischenraum (ISP) mit einer Überwachungseinheit (MU) verbindet, die ein Signal an eine Steuerung (CU) sendet, wenn ein Prozessfluid (PF) aus einem Inneren (IC) des Gehäuses (CAS) in den Zwischenraum (ISP) eintritt.
Gehäuse (CAS) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Gehäusedeckel (COV) eine erste Umfangsnut (SG1) aufweist, in der die erste Dichtung (S1) angeordnet ist und wobei der Gehäusedeckel (COV) eine zweite Umfangsnut (SG2) aufweist, in der die zweite Dichtung (S2) angeordnet ist.
Gehäuse (CAS) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei der ringförmige Einsatz (CSP) eine dritte Umfangsnut (SG3) aufweist, in der die dritte Dichtung (S3) angeordnet ist.
Gehäuse (CAS) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gehäuse (CAS) ein Topfspiralgehäuse ist und der ringförmige Einsatz (CSP) ein Spiraleinsatz einer Turbofluidenergiemaschine (TFEM) ist.