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Die Erfindung betrifft eine Drehdurchführung für die Durchführung eines fließfähigen Mediums, umfassend ein ortsfestes erstes Maschinenteil, insbesondere ein Gehäuse, und ein zweites Maschinenteil, das um eine Achse drehbar im ersten Maschinenteil gelagert ist, insbesondere eine Hohlwelle, wobei das fließfähige Medium stromabwärts von einem Einlass zu einem Auslass geführt wird, wobei zwischen den beiden Maschinenteilen eine Dichtungsanordnung angeordnet ist, um das drehbare zweite Maschinenteil zum ortsfesten ersten Maschinenteil abzudichten, wobei die Dichtungsanordnung Mittel zur Einbringung von Sperrluft zwischen die beiden Maschinenteile umfasst.
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Eine gattungsgemäße Drehdurchführung ist aus der
DE 10 2013 106 469 A1 bekannt. Hier ist eine Hohlwelle in einem stationären Gehäusebauteil gelagert und mit einer Dichtungsanordnung versehen, die zur Abdichtung gegen den Eintritt bzw. Austritt eines Fluids dient. Zur Abdichtung wird Sperrluft zwischen die beiden sich relativ zueinander bewegenden Bauteile eingeleitet.
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Die vorbekannten Lösungen stoßen dann an ihre Grenzen, wenn die Drehdurchführung für Medien zum Einsatz kommt, die sehr heiß sind – insbesondere warmer als 500°C – und die chemisch aggressiv sind. Als Beispiel hierfür seien Salzschmelzen genannt.
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Die vorbekannten Drehdurchführungen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt und in Anwendung. Konstruktiv lassen sich die Drehdurchführungen im wesentlichen in folgende Arten einteilen: Bei Gleitringausführungen werden ringartige Abdichtungen verwendet, wie beispielsweise Kolbenringe oder Simmerringe. Gelegentlich werden auch lediglich Labyrinthdichtungen eingesetzt. Bekannt sind weiter Bürstendichtungen. Dann ist schließlich die Verwendung von (Sperr)Medien zur Kühlung und Abdichtung in verschiedenen Varianten bekannt, wie es auch für die gattungsgemäße Lösung gilt.
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Die aufgeführten Dichtungen realisieren allerdings keine ausreichende Mediendichtheit bzw. sie sind im Hochtemperaturbereich nicht einsetzbar. Weiterhin sind Kriechvorgänge aggressiver Medien, resultierend aus den Undichtigkeiten, bei den vorbekannten Drehdurchführungen nicht ausgeschlossen bzw. beim Auftreten von Leckagen werden diese nicht definiert abgeführt. Diese Kriechvorgänge sind besonders im Hochtemperaturbereich problematisch und basieren auf dem guten Benetzungsvermögen beispielsweise von Salzschmelzen mit geringer Dichte.
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Hinzu kommt das besondere Problem der Lagerungen. Metallische Kugellager sind im Einsatztemperaturbereich stark begrenzt und somit nur mit Zusatzkühlung einsetzbar.
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Keramische Ausführungen erlauben die Verwendung von (Sperr)Medien zur Kühlung und nur im schlagfreien Betrieb und bei geringen Temperaturgradienten. Die technische Machbarkeit von Hochtemperaturanwendungen ist mit Gleitlagern jedoch gegeben. Solche Gleitlager enthalten allerdings zumeist Graphit, welches – beispielsweise in Kontakt mit NaNO3-haltigen Salzschmelzen – besonders im Hochtemperaturbereich sofort zu Zerstörungen der Bauteile führt.
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Bei den vorbekannten Drehdurchführungen sind Lösungen bekannt, bei denen zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Zu- und Abflussteilen (Stator und Rotor) in verschiedenster Weise Dichtelemente vorgesehen sind, die eine (relative) Rotation zulassen und Flüssigkeiten weitestgehend am Austritt hindern (s. hierzu die oben genannten
EP 2 330 327 A1 .
DE 200 23 231 U1 ,
DE 102 32 967 B4 ).
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Auch sind – gemäß der gattungsgemäßen Konzeption – Konstruktionen bekannt, bei denen das zu transportierende Medium selbst und teilweise zusätzliche Abdichtungsmedien zur Vermeidung von Medienaustritten eingesetzt wird (s. hierzu die oben genannte
DE 10 2013 106 469 A1 ).
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Die beschriebenen Erfindungen sind auf Grund der Lagerung nicht für den Hochtemperaturbereich geeignet, verhindern nicht das Kriechen des abzudichtenden Mediums oder stellen nicht sicher, dass das Sperrmedium in das Transportmedium gelangt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehdurchführung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeidet. Demgemäß soll die Durchführung insbesondere für den Einsatz im Hochtemperaturbereich von mehr als 500°C geeignet sein und zuverlässig das Kriechen des abzudichtenden Mediums verhindern.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung aufweist:
- – erste Mittel zur Einbringung von Sperrluft, wobei die ersten Mittel an einer ersten axialen Position des ersten Maschinenteils angeordnet sind, wobei die ersten Mittel mindestens eine Sperrluftzufuhrleitung aufweist, die Sperrluft in einen ersten Ringraum oder Spalt leitet, der zwischen den beiden Maschinenteilen gebildet wird und der durch Dichtelemente begrenzt und/oder von diesen abgedichtet wird,
- – zweite Mittel zur Einbringung von Sperrluft, wobei die zweiten Mittel an einer zweiten axialen Position des ersten Maschinenteils angeordnet sind, die stromabwärts der ersten axialen Position angeordnet ist, wobei die zweiten Mittel mindestens eine Sperrluftzufuhrleitung aufweist, die Sperrluft in einen zweiten Ringraum oder Spalt leitet, der zwischen den beiden Maschinenteilen gebildet wird,
- – mindestens einen Aufnahmeraum für Medium, der an einer dritten axialen Position zwischen der ersten und der zweiten axialen Position angeordnet ist und in den die ersten und zweiten Ringräume oder Spalte münden, wobei der Aufnahmeraum mindestens eine Abflussleitung für das Medium aufweist.
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Die ersten Mittel zur Einbringung von Sperrluft bringen die Sperrluft dabei typischerweise (bei einem Hauptkanaldurchfluss von 100 l/min bis 160 l/min, insbesondere von 130 l/min) mit einem Druck von 1,2 bar bis 1,8 bar, insbesondere von 1,5 bar, ein.
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Hinsichtlich der zweiten Mittel zur Einbringung von Sperrluft ist zu sagen, dass diese typischerweise die Sperrluft mit einem Druck von 0,3 bar bis 1,0 bar einbringen. Hierbei liegt dann bevorzugt ein Spaltmaß von 0,1 mm bis 0,3 mm vor, insbesondere von 0,2 mm.
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Das zweite Maschinenteil, das drehbar im ortsfesten ersten Maschinenteil gelagert ist, ist dabei bevorzugt mittels mindestens eines Gleitlagers gelagert.
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Alternativ hat es sich jedoch auch bewährt, dass das zweite Maschinenteil, das drehbar im ortsfesten ersten Maschinenteil gelagert ist, mittels mindestens eines Luftlagers gelagert ist, wobei das Luftlager den zweiten Ringraum oder Spalt zwischen den beiden Maschinenteilen bildet. In diesem Falle kann vorgesehen sein, dass im Bereich des Luftlagers mindestens ein Heizelement angeordnet ist, mit dem ein radial außenliegendes Teil des Luftlagers zur Einstellung des Ringspalts erwärmt werden kann. Neben der Sperrluftzufuhrleitung kann in diesem Falle auch eine zweite Luftzufuhrleitung zum Luftlager und in den zweiten Ringraum oder Spalt führen.
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An der ersten axialen Position können im Bereich der mindestens einen Sperrluftzufuhrleitung mindestens zwei in axiale Richtung aufeinander folgende radial federnde Dichtelemente in Form von Dichtungsringen angeordnet sein.
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An der ersten axialen Position kann weiterhin im Bereich der mindestens einen Sperrluftzufuhrleitung eine Abflussleitung für Medium angeordnet sein.
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Der Aufnahmeraum ist bevorzugt ringförmig ausgebildet und weist im Radialschnitt eine Rechteckform auf.
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Im Bereich der zweiten axialen Position des ersten Maschinenteils und am Ort der Sperrluftzufuhrleitung kann des weiteren eine Stopfbuchsenanordnung angeordnet sein, was insbesondere beim Einsatz von Gleitlagern zum Schutz derselben vorteilhaft ist.
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Der Ringraum oder Spalt hat dabei bevorzugt eine radiale Größe zwischen 2 μm und 10 μm, vorzugsweise zwischen 3 μm und 7 μm. Dies gilt insbesondere beim Einsatz eines Luftlagers.
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Das vorgeschlagene Konzept stellt demgemäß namentlich eine Hochtemperaturdrehdurchführung mit Leckageabfuhr zur Verfügung, wobei zur Vermeidung von Kriechvorgängen alle austretenden Substanzen an unbewegten und bewegten Teilen zwangsweise (über den Ringspalt (Ringdüse)) definiert in einen Sammelbehälter rückgeführt werden können.
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Bei einer Ausgestaltung wird ein modifiziertes Lagerelement eingesetzt, das neben der Lagerungsfunktion der Hohlwelle der Unterbindung von Kriechvorgängen an unbewegten und bewegten Teilen dient.
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Im Falle der Verwendung eines Luftlagers kann dieses in Richtung eines möglichen Medieneintrittes einen zweiten Anschluss enthalten, der einerseits die Luftlagerung unterstützt und andererseits Medieneinritte in den Bereich des Luftlagers und somit undefinierte Medienaustritte sicher unterbindet.
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Die vorgeschlagene Lösung stellt eine Drehdurchführung bereit, die eine hohe Standfestigkeit aufweist, die insbesondere für Anwendungen im Hochtemperaturbereich größer als 500°C und für den Fluss aggressiver Medien, wie z. B. Salzschmelzen, geeignet ist.
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Das oben erläuterte Konzept gestattet ferner die zuverlässige Abdichtung auch im Falle eines hohen Temperaturgradienten für den Anfahrprozess aus dem Bereich der Umgebungstemperatur bis zur Maximaltemperatur, aber auch die klassische Verwendung der Drehdurchführung mit stark schwankenden Temperaturen des Durchflussmediums.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Drehdurchführung verhindert, dass aggressive Medien keine empfindlichen Bauteile gekoppelter Anlagen oder der Drehdurchführung selbst durch Kriechvorgänge erreichen können und dass, bei richtiger Einstellung des Drucks der Sperrluft (d. h. des Sperrdrucks), kein Sperrmedium in den Hauptstromkanal gelangen kann. Bei der erfindungsgemäßen Drehdurchführung sind geringe Leckraten (z. B. kleiner 5%) durchaus zugelassen, welche aber diffusionsfrei und kontrolliert an definierten Punkten abgeführt werden können.
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In vorteilhafter Weise kann die vorgeschlagene Drehdurchführung im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden, bei gleichzeitiger Verwendung extrem reaktionsfähiger Medien (beispielsweise von Salzschmelzen), wobei Kriechvorgänge des Mediums verhindert werden. Weiterhin können Leckagen weitgehend vermieden werden; beim Auftreten derselben können diese kriechfrei und definiert abgeführt werden. Sperrmedium kann nicht in den Hauptstromkanal gelangen.
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Im Hochtemperaturbereich werden bevorzugt Hochtemperaturgleitlager eingesetzt. Dabei ist zu beachten, dass solche Gleitlager unbedingt vor Salzschmelzen zu schützen sind, da Salzschmelzen zu heftigen Reaktionen mit Kohlenstoffanteilen neigen. Kohlenstoff ist indes ein funktionsbedingter Bestandteil eines Hochtemperaturgleitlagers.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 den Radialschnitt durch eine Drehdurchführung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
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2 den Radialschnitt durch eine Drehdurchführung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren sind zwei Ausführungsformen einer Drehdurchführung 1 dargestellt, die jeweils ein ortsfestes erstes Maschinenteil 2 in Form eines Gehäuses sowie ein drehbares zweites Maschinenteil 3 in Form einer Hohlwelle aufweist. Die Hohlwelle 3 soll sich demgemäß im Gehäuse 2 drehen können, wozu Lager vorgesehen sind. Für die Anordnung lässt sich eine axiale Richtung a definieren.
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Ein Medium tritt an einem Einlass E in die Drehdurchführung 1 ein, passiert die Hohlwelle 3 und verlässt die Drehdurchführung 1 an einem Auslass A.
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Bei der Lösung nach 1 ist eine Ausführung mit Gleitlagern 13 und 14 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform werden Kriechvorgänge durch eine spezielle Ringsspaltsdüse für Gase (insbesondere Luft oder Stickstoff) unterbunden.
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Bei der Lösung nach 2 ist eine Ausführung mittels eines Luftlagers 15 vorgesehen. Hierbei übernimmt das modifizierte Luftlager selbst die Vermeidung von Kriechvorgängen aus dem Bereich der Dichtelemente und lagert gleichzeitig die Hohlwelle 3.
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Die Abdichtung gegen das aggressive, heiße Medium M erfolgt in allen Ausführungsformen der Erfindung durch Einbringung von Sperrluft wozu jeweilige erste Mittel 4 und zweite Mittel 5 vorgesehen sind.
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Die Dichtungsanordnung weist also zunächst besagte erste Mittel 4 zur Einbringung von Sperrluft auf, wobei diese an einer ersten axialen Position B des Gehäuses 2 angeordnet sind. Die ersten Mittel 4 haben im Ausführungsbeispiel drei Sperrluftzufuhrleitungen 6, die Sperrluft in einen ersten Ringraum 7 leiten, der zwischen den Gehäuse 2 und Hohlwelle 3 gebildet wird. Hier sind im Ausführungsbeispiel vier Dichtelemente 8 in Form radial federnder Ringe vorgesehen, die nach Art eines Kolbenrings im Außenumfang der Hohlwelle 3 sitzen und an einer entsprechenden zylindrischen Innenbohrung des Gehäuses 2 anliegen. Demgemäß wird der Ringraum 7 durch die Dichtelemente 8 begrenzt bzw. von diesen abgedichtet.
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Die Dichtungsanordnung weist dann weiterhin besagte zweite Mittel 5 zur Einbringung von Sperrluft auf, wobei diese an einer zweiten axialen Position C des Gehäuses 2 angeordnet sind, die stromabwärts der ersten axialen Position B angeordnet ist. Die zweiten Mittel 5 weisen bei der Lösung nach 1 eine Sperrluftzufuhrleitung 9 auf, die Sperrluft in einen zweiten Ringraum 10 leitet, der zwischen Gehäuse 2 und Hohlwelle 3 gebildet wird.
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Weiterhin ist ein Aufnahmeraum 11 für Medium M vorgesehen, der an einer dritten axialen Position D zwischen der ersten und der zweiten axialen Position B, C angeordnet ist. In diesen Aufnahmeraum 11 münden die ersten und zweiten Ringräume 7 und 10. Der Aufnahmeraum 11 weist dabei eine Abflussleitung 12 für das Medium M auf.
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Medium M, das durch den Ringraum 7 gekrochen ist und von den Dichtelementen 8 aufgehalten wurde, kann über eine Abflussleitung 18 abfließen. Kriecht das Medium M indes über den Bereich der Dichtelemente 8 in Flussrichtung weiter, gelangt es in den Aufnahmeraum 11 und fließt von diesem über die Abflussleitung 12 ab. Ein weiteres Kriechen des Mediums M flussabwärts in Richtung Gleitlager 13 und 14 ist ausgeschlossen, da über den zweiten Ringraum 10 und die Sperrluft, die über die Sperrluftzuleitung 9 eingeleitet wird, das Medium nicht in den Ringraum 10 eintreten kann. Eine zuverlässige Abdichtung der Gleitlager 13, 14 ist somit sichergestellt.
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Ein zielgerichtetes Einleiten der Sperrluft über die Sperrluftzufuhrleitung 9 in den zweiten Ringraum 10 stellt eine Stopfbuchsenanordnung 19 sicher, die in 1 dargestellt ist.
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Wie bereits erwähnt, unterscheidet sich die Lösung nach 2 von derjenigen nach 1 im wesentlichen nur durch die Wahl eines Luftlagers 15 anstelle der Gleitlager 13 und 14 zur Lagerung der Hohlwelle 3.
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Wie in 2 gesehen werden kann, wird hier allerdings Luft, die das Luftlager 15 benötigt, über eine zweite Luftzufuhrleitung 17 zugeführt, während im axialen Endbereich des Gleitlagers 15, der dem Aufnahmeraum 11 zugewandt ist, über die Sperrluftzufuhrleitung 9 Sperrluft zur Abdichtung des Ringraums 10 zugeführt wird.
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Ein Heizelement 16 dient dazu, den radial außen liegenden Teil des Luftlagers 15 zu temperieren und namentlich zu erwärmen. Hierüber kann gezielt die Größe des radialen Spalts des Luftlagers eingestellt werden.
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Demgemäß kann die vorgeschlagene Lösung wie folgt nochmals zusammengefasst werden:
An dem vorzugsweise zweigeteilt ausgebildeten Gehäuse 2 erfolgen alle erforderlichen Medienführungen. Diese sind die Sperrmediumzufuhr 6 und die Sperrmedium-Leckageabfuhr 18 für die federnden gasdichten Dichtringe 8, sowie der Anschluss 9 für die Unterbindung des Kriechvorganges des zu fördernden Mediums M an dem Ringspalt 10. Die Lagerung des Rotors 3 erfolgt durch die hochtemperaturbeständigen, selbstschmierenden Gleitlager 13 und 14.
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Der Rotor 3 übernimmt gleichzeitig die Aufnahme der Dichtringe B. Diese Dichtringanordnung wird über den oberen Anschluss 9 mit einem Sperrmedium beaufschlagt. Der Salzschmelzehauptstrom hoher Temperatur gelangt ringseitig vom Einlass E bzw. statorseitig in die Drehdurchführung 1 und verlässt diese über den rotorseitigen Auslass A. Auftretende Leckagen der Dichtringe 8 werden über den unteren Anschluss 18 definiert abgeführt. Kriechende Restleckagen gelangen in den Sammelraum 11 und werden abschließend über den Ausgang 12 definiert rückgeführt (z. B. zum Salztank).
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Diese Kriechvorgänge werden am Ringspalt 10 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit, die salzschmelzenabhängig eingestellt ist, abschließend unterbunden, um ein undefiniertes Austreten der Salzschmelze aus der Drehdurchführung 1 zu verhindern. Dabei ist die Dimensionierung des Spaltes so vorzusehen, dass die kinetische Kraft des über die Sperrluftzufuhrleitung 9 zugegebenen Gases durch den Ringspalt 10 höher ist, als die kinetische Kraft der kriechenden Salzschmelze aus dem Sammelraum 11, so dass die Hauptströmungsrichtung des über die Sperrluftzufuhrleitung 9 zugegebenen Gases in Richtung Sammelraum 11 weist. Unterstützt wird dies durch die Stopfbuchsenanordnung 19, die sich bereits im salzfreien Raum befindet.
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Damit ist eine Drehdurchführung 1 geschaffen, in der Salzschmelzen nur an dafür vorgesehenen Ausgängen (18, 12, A) austreten können.
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Bei der Lösung nach 2 ist alternativ das Luftlager 15 vorgesehen, temperaturkompensiert durch die Materialauswahl Luftlager/Hohlwelle, das die Lagerung des Rotors 3 übernimmt. Der kritische Luftspalt 10 von ca. 5 μm zwischen Luftlager 15 und Rotor 3 wird durch die Heizung 16 mit dazugehöriger Regelung (ca. 5 Grad Genauigkeit) und Messung der Temperatur des Hauptmedienstromes sichergestellt.
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Die Lagerluftzufuhr 17 für das Luftlager 15 erfolgt druckgeregelt. Der Salzschmelzehauptstrom hoher Temperatur gelangt ringseitig bzw. statorseitig (vom Einlass E her) in die Drehdurchführung 1 und verlässt diese über den rotorseitigen Auslass A. Um sicherzustellen, dass es zu keiner Eindiffusion der kriechenden Restleckagen aus dem Sammelraum 11 kommt, befindet sich am Luftlager 15 die zweite flussgeregelte Sperrluftzufuhrleitung 9 zum Aufbau von Sperrluft in Richtung des möglichen aber ungewollten Medieneintrittes.
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Dabei ist die Dimensionierung so vorzusehen, dass die kinetische Kraft des über die Sperrluftzufuhrleitung 9 zugegebenen Gases durch den Ringspalt 10 des Luftlagers 15 höher ist, als die kinetische Kraft der kriechenden Salzschmelze aus dem Sammelraum 11 und dass die Hauptströmungsrichtung des über die Sperrluftzufuhrleitung 9 zugegebenen Gases in Richtung Sammelraum 11 weist. Dieses wird dadurch sichergestellt, dass an der Sperrluftzufuhrleitung 9 ein höherer Druck als an der Lagerluftzufuhr 17 eingestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehdurchführung
- 2
- ortsfestes erstes Maschinenteil (Gehäuse)
- 3
- drehbares zweites Maschinenteil (Hohlwelle)
- 4
- erstes Mittel zur Einbringung von Sperrluft
- 5
- zweites Mittel zur Einbringung von Sperrluft
- 6
- Sperrluftzufuhrleitung
- 7
- erster Ringraum/Spalt
- 8
- Dichtelement
- 9
- Sperrluftzufuhrleitung
- 10
- zweiter Ringraum/Spalt
- 11
- Aufnahmeraum für Medium
- 12
- Abflussleitung
- 13
- Gleitlager
- 14
- Gleitlager
- 15
- Luftlager
- 16
- Heizelement
- 17
- zweite Luftzufuhrleitung
- 18
- Abflussleitung
- 19
- Stopfbuchsenanordnung
- a
- axiale Richtung
- M
- Medium
- E
- Einlass
- A
- Auslass
- B
- erste axiale Position des ersten Maschinenteils
- C
- zweite axiale Position des ersten Maschinenteils
- D
- dritte axiale Position des ersten Maschinenteils
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013106469 A1 [0002, 0010]
- DE 60011559 T2 [0003]
- DE 10232967 B4 [0003, 0009]
- EP 2330327 A1 [0003, 0009]
- DE 20023231 U1 [0003, 0009]
- DE 102012101815 A1 [0003]
- DE 102004031350 B4 [0003]
- DE 2911000 A1 [0003]
- DE 102011055032 A1 [0003]
