DE102017223791A1 - Shaft seal arrangement of a turbomachine, turbomachine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wellendichtungsanordnung (SHA) einer Turbomaschine (TRM) umfassend:einen Stator (STA), einen Rotor (ROT), der um eine Achse (X) drehbar gelagert ist, eine erste Wellendichtung (SHS1), eine zweite Wellendichtung (SHS2), wobei die erste Wellendichtung (SHS1) und die zweite Wellendichtung (SHS2) hinsichtlich einer Abdichtungsfunktion zwischen einer Hochdruckseite (HPS) und einer Niederdruckseite (LPS) in Reihe angeordnet sind, wobei die erste Wellendichtung (SHS1) ein erstes rotierendes Dichtelement (RSE1) und ein erstes stehendes Dichtelement (SSE1) aufweist, die einen ersten ringförmigen Dichtspalt (GS1) zwischen sich ausbildend einander gegenüber stehen, wobei die zweite Wellendichtung (SHS2) ein zweites rotierendes Dichtelement (RSE2) und ein zweites stehendes Dichtelement (RSE2) aufweist, die einen zweiten ringförmigen Dichtspalt (GS2) zwischen sich ausbildend einander gegenüber stehen, wobei die Dichtspalte (GS1), (GS2) in einem axialen Längsschnitt eine erste axiale gesamte Erstreckung (AG1) beziehungsweise eine zweite axiale gesamte Erstreckung (AG2) und eine erste gesamte radiale Erstreckung (RG1) beziehungsweise eine zweite gesamte radiale Erstreckung (RG2) aufweisen. Um den axialen Bauraum im Interesse einer besseren Rotordynamik zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass die erste Wellendichtung (SHS1) und die zweite Wellendichtung (SHS2) radial derart zueinander angeordnet sind, dass einzelne Wellendichtungen (SHS1 - SHS5) radial ineinander verschachtelt angeordnet sind.The invention relates to a shaft seal assembly (SHA) of a turbomachine (TRM) comprising: a stator (STA), a rotor (ROT) rotatably mounted about an axis (X), a first shaft seal (SHS1), a second shaft seal (SHS2 wherein the first shaft seal (SHS1) and the second shaft seal (SHS2) are arranged in series for a sealing function between a high-pressure side (HPS) and a low-pressure side (LPS), the first shaft seal (SHS1) comprising a first rotating sealing element (RSE1) and a first upright seal member (SSE1) having a first annular seal gap (GS1) facing each other therebetween, the second seal member (SHS2) having a second rotary seal member (RSE2) and a second upright seal member (RSE2) forming a second annular sealing gap (GS2) between them facing each other, wherein the sealing gaps (GS1), (GS2) in an axial longitudinal section a first axial total extent (AG1) or a second axial total extent (AG2) and a first total radial extent (RG1) and a second total radial extent (RG2). In order to reduce the axial space in the interest of better rotor dynamics, it is proposed that the first shaft seal (SHS1) and the second shaft seal (SHS2) are arranged radially relative to each other, that individual shaft seals (SHS1 - SHS5) are arranged radially nested one inside the other.
Description
Die Erfindung betrifft eine Wellendichtungsanordnung einer Turbomaschine umfassend:
- einen Stator, einen Rotor, der um eine Achse drehbar gelagert ist, eine erste Wellendichtung,eine zweite Wellendichtung, wobei die erste Wellendichtung und die zweite Wellendichtung hinsichtlich einer Abdichtungsfunktion zwischen einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite in Reihe angeordnet sind.
- a stator, a rotor rotatably supported about an axis, a first shaft seal, a second shaft seal, wherein the first shaft seal and the second shaft seal are arranged in series for sealing function between a high pressure side and a low pressure side.
Anordnungen der eingangs definierten Art sind bereits aus der
Bekannte Bauformen entsprechender Turbomaschinen sind beispielsweise Einwellenradialverdichter oder sogenannte Getriebeverdichter. Entsprechende Einwellenradialverdichter und dazugehörige Bauteile sind bereits aus den
Entsprechende Getriebeverdichter beziehungsweise Getrieberadialturboverdichter und dazugehörige Bauteile sind bereits aus den
Zumindest einige der Wellendichtungen einer entsprechenden Wellendichtungsanordnung können als öl- oder gasgeschmierte Gleitringdichtungen ausgebildet sein. Entsprechende Wellendichtungsanordnungen umfassen, wenn sie entsprechenden einschlägigen Normen, insbesondere Sicherheitsvorschriften, genügen, mehrere einzelne Wellendichtungen. Diese können verschiedenartig ausgeführt sein, beispielsweise als Labyrinthdichtungen oder als öl- oder gasgeschmierte Gleitringdichtungen oder als Trockengasdichtungen oder als sogenannte HALO Seals.At least some of the shaft seals of a corresponding shaft seal arrangement can be designed as oil-lubricated or gas-lubricated mechanical seals. Corresponding shaft seal assemblies comprise, if they meet corresponding relevant standards, in particular safety regulations, several individual shaft seals. These can be designed in various ways, for example as labyrinth seals or as oil or gas lubricated mechanical seals or as dry gas seals or as so-called HALO seals.
Dichtungen des Typs „HALO“ sind bereits aus den
Die Anordnung von mehreren Wellendichtungen in Reihe hinsichtlich eines etwaigen Leckagepfades der Wellendichtungsanordnung ist herkömmlich verhältnismäßig bauraumgreifend und verlängert den Bedarf an axialer Länge des Rotors signifikant. Dementsprechend negativ ist der Einfluss des Bauraumbedarfes auf die Rotordynamik entsprechender Turbomaschinen. Naturgemäß bildet die Rotordynamik ein entscheidendes Kriterium für den möglichen Betriebsbereich einer in der Regel verhältnismäßig schnell drehenden Turbomaschine. Insbesondere im Anwendungsbereich derartiger Wellendichtungsanordnungen für Getriebeverdichter bildet die Axiallänge der Wellendichtungsanordnung eine kritische Größe, da typischerweise das Laufrad eines Radialverdichters gemeinsam mit der Wellendichtung an einem freien Wellenende angeordnet sind jenseits eines den Rotor unterstützenden Lagers im Bereich des Getriebekastens, von wo aus das Laufrad angetrieben oder abgetrieben wird. Die axiale Baulänge der Wellendichtungsanordnung trägt also unmittelbar zu der Axiallänge des freien Wellenendes bei.The arrangement of multiple shaft seals in series with respect to any leakage path of the shaft seal assembly is conventionally relatively space consuming and significantly extends the need for axial length of the rotor. Accordingly, the influence of the space requirement on the rotor dynamics of corresponding turbomachines is negative. Naturally, the rotor dynamics constitute a decisive criterion for the possible operating range of a turbomachine, which usually rotates relatively quickly. Particularly in the field of application of such shaft seal arrangements for gear compressor, the axial length of the shaft seal arrangement forms a critical size, since typically the impeller of a centrifugal compressor are arranged together with the shaft seal at a free shaft end beyond a rotor supporting bearing in the region of the gearbox, from where the impeller driven or is driven off. The axial length of the shaft seal assembly thus contributes directly to the axial length of the free shaft end.
Ausgehend von dem oben beschriebenen Problemkreis hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, den axialen Bauraum einer oben definierten Wellendichtungsanordnung für eine Turbomaschine zu reduzieren. Hierzu wird eine Wellendichtungsanordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vorgeschlagen. Die rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.Based on the problem described above, the invention has taken on the task of reducing the axial space of a shaft seal arrangement defined above for a turbomachine. For this purpose, a shaft seal arrangement according to the independent claim 1 is proposed. The dependent claims include advantageous developments of the invention.
Begriffe wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung beziehen sich auf die zentrale Achse beziehungsweise Drehachse des Rotors einer Turbomaschine, die auch eine zentrale Achse der Wellendichtungsanordnung ist.Terms such as axial, radial, tangential or circumferential direction refer to the central axis or axis of rotation of the rotor of a turbomachine, which is also a central axis of the shaft seal arrangement.
Die in Anspruch 1 erwähnte Hochdruckseite beziehungsweise Niederdruckseite bezieht sich auf den Betriebsfall der Wellendichtungsanordnung, wobei im Betrieb auf einer Seite der Wellendichtung ein höherer Druck anliegt als auf der anderen Seite. Dementsprechend verläuft eine etwaige Leckagerichtung, beziehungsweise der Pfad einer etwaigen Leckage, von der Hochdruckseite hin zur Niederdruckseite durch die hinsichtlich der Abdichtfunktion der Wellendichtungsanordnung in Reihe angeordneten einzelnen Wellendichtungen der Anordnung.The mentioned in claim 1 high pressure side or low pressure side refers to the operation of the shaft seal assembly, wherein in operation on one side of the shaft seal, a higher pressure than on the other side. Accordingly, a possible direction of leakage, or the path of a any leakage, from the high pressure side to the low pressure side by the order of the sealing function of the shaft seal assembly in series with individual shaft seals of the assembly.
Kennzeichnend für die Erfindung ist die radial ineinander verschachtelte Anordnung der einzelnen Wellendichtungen, die auch als Anordnung der Wellendichtungen in einzelnen, in einander umhüllenden Ebenen - bzw. Zylinderebenen - bezeichnet werden kann.Characteristic of the invention is the radially nested arrangement of the individual shaft seals, which can also be referred to as an arrangement of the shaft seals in individual, in each other enveloping planes - or cylinder planes.
Im Nennbetrieb arbeiten die jeweiligen Wellendichtungen der Wellendichtungsanordnung bevorzugt kontaktfrei unter Ausbildung eines Dichtspaltes zwischen einem rotierenden und einem stehenden Dichtelement. Der Dichtspalt kann hierbei mit Prozessfluid gefüllt sein oder auch mit einem Dichtungsfluid, beispielsweise mit einem Sperrgas oder einem Ölfilm. Der Dichtspalt ist hierbei in seiner Gesamtheit eine ringförmige dreidimensionale Form. Die Wortwahl der Ausführungen über den Dichtspalt und dessen axiale und radiale Erstreckungen bezieht sich unter anderem auf einen Längsschnitt durch die Wellendichtungsanordnung und hierbei auf die radiale und axiale Erstreckung der einzelnen Dichtspalte. Während der Dichtspalt eine dreidimensionale ringförmige Form aufweist, bezieht sich der Längsschnitt durch den Dichtspalt nur auf den Längsquerschnitt durch den Dichtspalt in einer einzigen Umfangswinkelposition. Die axiale Erstreckung bedeutet in der Wortwahl der Patentanmeldung dementsprechend die axiale Gesamterstreckung des Längsquerschnittes des Dichtspaltes in einer einzigen Umfangswinkelposition. Mutatis mutandis gilt dies auch für die radiale Erstreckung beziehungsweise gesamte radiale Erstreckung.In nominal operation, the respective shaft seals of the shaft seal arrangement preferably operate without contact to form a sealing gap between a rotating and a stationary sealing element. The sealing gap may in this case be filled with process fluid or else with a sealing fluid, for example with a sealing gas or an oil film. The sealing gap here is in its entirety an annular three-dimensional shape. The wording of the statements about the sealing gap and its axial and radial extent refers, inter alia, to a longitudinal section through the shaft seal arrangement and in this case on the radial and axial extent of the individual sealing gaps. While the sealing gap has a three-dimensional annular shape, the longitudinal section through the sealing gap relates only to the longitudinal cross-section through the sealing gap in a single peripheral angular position. The axial extension means in the wording of the patent application accordingly the axial total extension of the longitudinal cross-section of the sealing gap in a single peripheral angular position. Mutatis mutandis this also applies to the radial extent or entire radial extent.
Entscheidend für die Erfindung ist, dass die einzelnen Wellendichtungen der Wellendichtungsanordnung zueinander radial in Reihe positioniert sind und nicht zueinander axial angeordnet sind. Jede einzelne Wellendichtung, insbesondere bevorzugt der entsprechende Dichtspalt, beansprucht also für sich einen Radialbereich beansprucht einen Radialbereich von einem ersten Radius zu einem zweiten Radius, der keine Schnittmenge mit dem Dichtspalt einer anderen Wellendichtung dieser Wellendichtungsanordnung aufweist.Decisive for the invention is that the individual shaft seals of the shaft seal arrangement are positioned radially in series with each other and are not arranged axially to each other. Each individual shaft seal, in particular preferably the corresponding sealing gap, therefore claims a radial area from a first radius to a second radius which has no intersection with the sealing gap of another shaft seal of this shaft seal arrangement.
Besonders bevorzugt sind die einzelnen Dichtspalte in enger axialer Nähe zueinander angeordnet, so dass sich für die gesamte Wellendichtungsanordnung ein nur geringer Axialbauraum ergibt. Dementsprechend beschreibt ein etwaiger Leckagepfad durch die gesamte Wellendichtungsanordnung hindurch im Längsquerschnitt bevorzugt eine Schlangenlinienform, wobei der Leckagepfad von einer Axialseite der Anordnung zu der anderen Axialseite der Anordnung hin und her wechselt.Particularly preferably, the individual sealing gaps are arranged in close axial proximity to each other, so that there is only a small Axialbauraum for the entire shaft seal assembly. Accordingly, any leakage path throughout the shaft seal assembly preferably defines a serpentine shape in the longitudinal cross-section, with the leakage path alternating back and forth from one axial side of the assembly to the other axial side of the assembly.
In Abgrenzung zu etwaigen Tandemanordnungen herkömmlicher Dichtungen arbeiten die einzelnen Wellendichtungen der erfindungsgemäßen Anordnung unabhängig voneinander, insbesondere sind die Dichtelemente und die Träger der Dichtelemente der einzelnen Wellendichtungen keine einstückigen gemeinsamen Bauteile. Bevorzugt gibt es zwischen den rotierenden Dichtelementen und/oder den stehenden Dichtelementen keine feste direkte Verbindung zueinander, wobei zumindest die rotierenden oder die stehenden Dichtelemente zu dem jeweils gegenüberliegenden Dichtelement axial beweglich ausgebildet sind. Bevorzugt ist das stehende Element axial beweglich ausgebildet und mittels eines elastischen Elementes in Richtung des gegenüberstehenden rotierenden Dichtelementes vorgespannt.In contrast to any tandem arrangements of conventional seals, the individual shaft seals of the arrangement according to the invention operate independently of one another, in particular the sealing elements and the carriers of the sealing elements of the individual shaft seals are not one-piece common components. Preferably, there is no fixed direct connection between the rotating sealing elements and / or the stationary sealing elements, wherein at least the rotating or standing sealing elements are axially movable relative to the respective opposite sealing element. Preferably, the standing element is axially movable and biased by an elastic element in the direction of the opposite rotating sealing element.
Besonders bevorzugt ist entlang des Leckagepfades in Reihe zu der ersten Wellendichtung und der zweiten Wellendichtung eine dritte Wellendichtung vorgesehen. Diese Wellendichtung ist besonders bevorzugt zwischen der ersten Wellendichtung und der zweiten Wellendichtung angeordnet. In gleicher Art und Weise ist die Anordnung der dritten Wellendichtung zu der ersten Wellendichtung und der zweiten Wellendichtung ebenfalls radial zur Rotationsachse unter Einsparung axialen Bauraums.Particularly preferably, a third shaft seal is provided along the leakage path in series with the first shaft seal and the second shaft seal. This shaft seal is particularly preferably arranged between the first shaft seal and the second shaft seal. In the same way, the arrangement of the third shaft seal to the first shaft seal and the second shaft seal is also radially to the rotation axis while saving axial space.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Wellendichtung und/oder die zweite Wellendichtung als Gleitringdichtung ausgebildet ist/sind und die dritte Wellendichtung als Labyrinthdichtung ausgebildet ist.An advantageous development of the invention provides that the first shaft seal and / or the second shaft seal is designed as a mechanical seal / are and the third shaft seal is designed as a labyrinth seal.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass zwischen der ersten Wellendichtung und der zweiten Wellendichtung die dritte Wellendichtung angeordnet ist und eine vierte Wellendichtung stromaufwärts entlang eines Leckagepfades in Reihe zu der ersten Wellendichtung, der zweiten Wellendichtung und der dritten Wellendichtung angeordnet ist. Auch diese Wellendichtung ist radial zu der ersten, zweiten und dritten Wellendichtung unter Einsparung axialen Bauraums angeordnet.Another advantageous development provides that between the first shaft seal and the second shaft seal, the third shaft seal is arranged and a fourth shaft seal upstream along a leakage path in series with the first shaft seal, the second shaft seal and the third shaft seal is arranged. These shaft seal is arranged radially to the first, second and third shaft seal while saving axial space.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung, bei der eine fünfte Wellendichtung stromabwärts der ersten, zweiten, dritten und vierten Wellendichtung in Reihe hinsichtlich eines Leckagepfades und radial zu den anderen Wellendichtungen unter Einsparung axialen Bauraums vorgesehen ist.Particularly preferred is a development in which a fifth shaft seal is provided downstream of the first, second, third and fourth shaft seal in series with respect to a leakage path and radially to the other shaft seals while saving axial space.
Besonders bevorzugt sind die vierte und die fünfte Wellendichtung als Labyrinthdichtungen ausgebildet.Particularly preferably, the fourth and the fifth shaft seal are designed as labyrinth seals.
Besonders bevorzugt sind die rotierenden Dichtelemente der einzelnen Wellendichtungen an einem Wellenabsatz eines Rotors der Turbomaschine befestigt, insbesondere an einer Radiallaufradrückseite. Hierbei ist die Radiallaufradrückseite die axial gegenüber einer Eintrittsseite des Radiallaufrades liegende Seite.Particularly preferably, the rotating sealing elements of the individual shaft seals on a shaft shoulder of a rotor of Turbomachine attached, in particular on a Radallaufradrückseite. Here, the Radialaufradrückseite is the axially opposite to an inlet side of the radial impeller side.
Die Wellendichtungsanordnung nach der Erfindung entfaltet die Vorteile besonders umfassend, wenn dies Bestandteil einer Turbomaschine ist und zwischen einem Lager und einem von dem Lager - insbesondere fliegend - unterstütztem Laufrad angeordnet ist. Der Begriff „fliegend“ bedeutet hierbei, dass eine Lagerung von dem Rotor nur an einer axialen Seite des Laufrades vorgesehen ist.The shaft seal assembly according to the invention develops the advantages particularly comprehensive, if this is part of a turbomachine and between a bearing and a bearing - in particular flying - supported impeller is arranged. The term "flying" here means that a bearing of the rotor is provided only on one axial side of the impeller.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer erfindungsgemäßen Wellendichtungsanordnung einer Turbomaschine -
2 eine andere Wellendichtungsanordnung nach der Erfindung in schematischer Darstellung eines Längsschnitts
-
1 a schematic representation of a longitudinal section of a shaft seal assembly according to the invention of a turbomachine -
2 another shaft seal assembly according to the invention in a schematic representation of a longitudinal section
Die
Hinsichtlich der Richtung eines Leckagepfades
Die Dichtspalte
Jeder der Dichtspalte
Die
Die Dichtspalte
Grundsätzlich gelten hier jedoch die gleichen Bezeichnungen für funktionsgleiche Bauelemente. Zusätzlich zu der
- A
- Sperrgas,
- B
- Sekundäre Absaugung,
- C
- Sekundäres Sperrgas,
- D
- Primäre Absaugung,
- E
- Primäres Sperrgas
- A
- Sealing gas,
- B
- Secondary suction,
- C
- Secondary sealing gas,
- D
- Primary suction,
- e
- Primary purge gas
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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