DE10251182C1

DE10251182C1 - Radialabdichtung

Info

Publication number: DE10251182C1
Application number: DE2002151182
Authority: DE
Inventors: Thomas Frohberg
Original assignee: Enginion AG
Current assignee: Amovis GmbH
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2022-11-01

Abstract

Eine Expansionsmaschine (10) mit einer Laufbuchse (14), einem in der Laufbuchse (14) umlaufenden Rotor (12) und einer von dem Rotor (12) angetriebenen Welle (60) ist dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) schwimmend gelagert ist, der Rotor seitlich mitlaufende Scheiben (46, 48) aufweist, welche in radialer Richtung gegen Dichtungsdeckel (50, 52) der Laufbuchse (14) abgedichtet sind, und der Rotor (12) den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Laufbuchse (14) hat. Die Dichtungsdeckel (50, 52) können sich radial nach innen erstrecken und zwischen dem Rotor (12) und den Dichtungsdeckeln (50, 52) kann jeweils eine feststehende Dichtungsscheibe (40, 42) angeordnet sein. Zur Abdichtung der mitlaufenden Scheiben (46, 48) gegen die Dichtungsdeckel (50, 52) können Dichtungen (54, 56) vorgesehen sein und die Dichtungsscheiben (40, 42) in radialer Richtung auf der Höhe der Dichtungen (54, 56) an die mitlaufenden Scheiben (46, 48) angrenzen.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine mit einer Laufbuchse, einem in der Lautbuchse umlaufenden Rotor und einer von dem Rotor angetriebenen Welle, wobei der Rotor seitlich mitlaufende Scheiben aufweist, welche in radialer Richtung durch Dichtungen gegen Dichtungsdeckel der Lautbuchse abgedichtet sind. Solche Expansionsmaschinen dienen zur Expansion eines unter Druck stehenden Mediums unter Arbeitsleistung.

Stand der Technik

Aus der DE 201 17 224 U1 ist eine Rotationskolbenmaschine in Form einer Flügelzellenmaschine bekannt. Bei der bekannten Anordnung ist ein Rotor mit einer Welle verbunden, auf welche die Rotationskraft übertragen wird. Die Flügelzellenmaschine arbeitet mit Wasserdampf als Arbeitsmedium. Der unter hohem Druck stehende Wasserdampf wird in einer Expansionskammer der Flügelzellenmaschine unter Arbeitsleistung expandiert. Die erzeugte mechanische Arbeit kann an der Abtriebswelle der Rotationskolbenmaschine abgegriffen werden.

Bei solchen Expansionsmaschinen können hohe Druck- und Temperaturgradienten auftreten. Der Druck kann je nach Anwendungszweck bis zu 40 bar betragen. Das erfordert eine gute Dichtung der Expansionskammern. Dies ist schwierig, da sich der Rotor einerseits in der Lautbuchse mit möglichst geringer Reibung drehen soll und andererseits eine möglichst gute Dichtung erreicht werden soll. Eine unzureichende Dichtung führt zu Druckverlusten und damit zu einer Verringerung des Wirkungsgrads. Weiterhin kann die Temperatur bis auf 1200°C ansteigen. Dabei dehnen sich die verwendeten Komponenten stark aus. Die Ausdehnung erschwert die Dichtung der Expansionskammern.

Üblicherweise wird bei den Flügelzellen-Expansionsmaschinen eine sogenannte Fest lose-Lagerung verwendet. Welle, Rotor und Laufbuchse werden bei einer solchen Lagerung an einer Seite so gelagert, daß sie in axialer Richtung festgehalten werden, während sie sich auf der gegenüberliegenden Seite der Anordnung in axialer Richtung frei ausdehnen können. Dies hat zur Folge, daß für die Ausdehnung der einzelnen Komponenten, welche unterschiedliche Beträge annehmen kann, große Luftspalte vorgesehen werden müssen. Die Größe dieser Spalte variiert entsprechend der Temperaturgradienten und der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten.

Aus der US 986 116 ist eine Rotationskolben-Expansionsmaschine der eingangs genannten Art mit mitlaufenden seitlichen Scheiben bekannt. Auch bei dieser Maschine dehnen sich die einzelnen Komponenten unterschiedlich aus. Aus der DE 197 44 812 A1 ist eine Rotationskolbenmaschine bekannt, bei welcher alle Gehäusebauteile, sowie der Rotor aus Material mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sind. Der Rotor mit den Flügeln sitzt in einem festen Gehäuse. Auch bei einer solchen Konstruktion sind vergleichsweise große Spalte erforderlich.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Expansionsmaschine zu schaffen, welche auch bei hohen Temperaturen und Drücken eine gute Dichtung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Rotor in axialer Richtung schwimmend gelagert ist, und den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Laufbuchse hat. Eine schwimmende Lagerung hat die Eigenschaft, daß sich der Rotor frei in beiden axialen Richtungen ausdehen bzw. bewegen kann. Wenn der Rotor dann den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Laufbuchse hat, dehnen sich beide Komponenten gleich aus, so daß keine großen Spalte zur Kompensation von Ausdehnungsunterschieden erforderlich sind. Vielmehr können Laufbuchse und Rotor gemeinsam geführt werden. Dies kann durch Abstützen an seitlichen Anlaufscheiben erfolgen. Die Dichtung kann in diesem Fall als Radialabdichtung ausgestaltet werden. Die seitlich mitlaufende Scheibe kann sich über einen großen Teil der Querschnittsfläche erstrecken. Dadurch ist eine Dichtung nur in radialer Richtung an jeweils einem Punkt erforderlich. Gegenüber einer Dichtung größeren Radiusses treten daher nur geringe Reibungsverluste auf. Diese können insbesondere durch die geeignete Auswahl der Reibpartner weiter verringert werden.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Querschnitt in radialer Richtung durch einen Expander

Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 1

Fig. 3 ist eine perspektivische, aufgeschnittene Ansicht des Expanders aus Fig. 1 und Fig. 2

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

In den Figuren ist mit 10 allgemein ein Expander bezeichnet. Der Expander 10 umfasst einen Rotor 12, welcher in einer Laufbuchse 14 um eine Achse 16 rotiert. Die Laufbuchse 14 ist innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 18 angeordnet. Der Rotor 12 ist als Flügelzellen-Rotor ausgebildet. Dabei weist er einen rotierenden Kern 20 mit radial verlaufenden Aufnahmen 22 auf. In den Aufnahmen 22 sitzen Schieber 24. Die Schieber 24 sind in radialer Richtung beweglich in den Aufnahmen 22 angeordnet. Sie sind vorgespannt und drücken gegen die Innenwandung 26 der Laufbuchse 14. Dadurch werden Expansionskammern 28 gebildet. Die Rotationsachse 16 des Rotors ist außermittig zur Mittenachse 30 der Laufbuchse 14 angeordnet. Dadurch vergrößern und verkleinern sich die Expansionskammern 28 in Abhängigkeit von ihrer Winkelposition.

Das durch einen Einlaß 32 in eine "kleine" Expansionskammer einströmende Arbeitsmedium wird expandiert und übt eine Kraft auf den Rotor aus. Der Rotor wird dadurch angetrieben. Arbeitsmedium kann zum Beispiel unter hohem Druck bis zu 40 bar stehender Wasserdampf sein. Wenn das Arbeitsmedium expandiert ist, strömt es durch einen Auslass 34 aus.

Die Schieber 24 werden zu jedem Zeitpunkt gegen die Innenwandung der Laufbuchse gedrückt. Sie erstrecken sich über die gesamte Breite der Laufbuchse und verschließen auf diese Weise die Expansionskammer in dieser Richtung. Wenn sich die Abmessungen der Komponenten aufgrund von Temperaturänderungen in radialer Richtung ändern, wird dies durch die in radialer Richtung beweglichen Schieber kompensiert. Die Expansionskammern 28 sind daher in dieser Richtung zu jedem Zeitpunkt und bei jeder Temperaturänderung optimal abgedichtet.

Der bewegliche Rotor 12 und die feststehende Laufbuchse 14 bestehen beide aus dem gleichen Material, nämlich Kohlenstoff. Bei Temperaturänderungen erfolgt auch eine Ausdehnung in axialer Richtung. Dies ist durch Pfeile 36 und 38 in Fig. 2 angedeutet. Der Rotor 12 ist schwimmend gelagert. Die Laufbuchse 14 kann sich im Gehäuse 18 in axialer Richtung ausdehnen. Das bedeutet, daß für beide Komponenten eine Ausdehnung in beiden axialen Richtungen möglich ist. Diese ist aufgrund der gleichen Länge und des gleichen Materials gleich groß. Auf beiden Seiten der Laufbuchse 14 sind seitliche Anlaufscheiben 40 und 42 aus Stahl angeordnet. Die Anlaufscheiben 40 und 42 sind mittels Bolzen 44, Muttern 45 und Unterlegscheiben 47 mit der feststehenden Laufbuchse 14 verschraubt und können daher nicht mitrotieren. Die Anlaufscheiben 40 und 42 ragen über die Dicke der Laufbuchse 14 hinaus radial etwas nach innen in den Bereich des Rotors beziehungsweise der Expansionskammern. Der Rotor 12 und die Schieber 24 werden auf diese Weise zwischen den Anlaufscheiben 40 und 42 geführt.

Über den übrigen Querschnitt des Rotors und der Expansionskammern erstrecken sich auf beiden Seiten Zirkoniumoxid-Scheiben (ZrO-Scheiben) 46 und 48. Die ZrO-Scheiben sind fest mit dem Rotor verbunden und rotieren ebenfalls. Zwischen den ZrO-Scheiben 46 bzw. 48 und den Anlaufscheiben 42 bzw. 40 befindet sich ein kleiner Spalt, so daß diese nicht aufeinander reiben. Die Anlaufscheiben 42 und 40 sind dünner als die Scheiben 46 und 48. An den Anlaufscheiben 42 und 40 liegen jeweils Dichtungsdeckel 50 und 52 an. Sie sind ebenfalls mittels der Bolzen 44 mit den Anlaufscheiben und der Laufbuchse 14 verschraubt. Die Dichtungsdeckel 50 und 52 erstrecken sich in radialer Richtung über die gesamte Breite der Anlaufscheiben 42 und 40.

Auf der der Anlaufscheibe zugewandten und radial innenliegenden Kante der Dichtungsdeckel 50 und 52 ist jeweils eine Kohlenstoffdichtung 54 bzw. 56 vorgesehen. Die feststehenden Kohlenstoffdichtungen 54 bzw. 56 bildet zum einen Radialabdichtungen gegen die umlaufenden Scheiben 46 und 48. Zum anderen bilden die Kohlenstoffdichtungen 54 bzw. 56 eine Dichtung der Anlaufscheiben 40 und 42 gegen die feststehenden Dichtungsdeckel 50 und 52. Durch die gleichmäßige Ausdehnung von Rotor 12 und Laufbuchse 14 in axialer Richtung bleibt die Anlaufscheibe 40 in ihrer relativen Lage, was eine gute Dichtung gewährleistet. Die Materialpaarung der Kohlenstoffdichtungen 54 und 56 und der Zirkoniumoxid-Scheiben 46 und 48 ermöglicht eine gute Dichtung in radialer Richtung ohne starke Reibung. Die Expansionskammern der Anordnung brauchen bei dieser Anordnung nur an den Orten abgedichtet werden, wo die Kohlenstoffdichtungen vorgesehen sind.

Die Scheiben 46 und 48 und der Rotor 12 sind mittels Schrauben 58 mit der allgemein als 60 bezeichneten Abtriebswelle verschraubt. Die Abtriebswelle 60 besteht aus zwei Wellenteilen 62 und 64, welche jeweils an die Scheiben 46 und 48 angeflanscht sind. Die Wellenteile 62 und 64 sind mit einem zylinderförmigen Zentralstück 66 verbunden, welches durch den Rotor 12 und die Scheiben 46 und 48 hindurch ragt und in einer Ausnehmung in den Wellenteilen 62 und 64 endet. Der Durchmesser der den Scheiben 46 und 48 zugewandten Seite der Wellenteile 62 und 64 entspricht dem Durchmesser der Scheiben 46 und 48. Die Wellenteile 62 und 64 sitzen zumindest mit einem Teil ihres Flansches in der jeweiligen Mittenöffnung der Dichtungsdeckel 50 bzw. 52. Durch die dreiteilige Anordnung wird die radial wirkende Gaskraft mit den Schauben 58, sondern auch durch das Zentralstück 66 vom Rotor auf die Welle 60 abgestützt.

Die Wellenteile 62 und 64 sind in Kugellagern 68 und 70 innerhalb von Gehäuseflanschen 72 und 74 gelagert. Die Gehäuseflansche 72 und 74 erstrecken sich über den gesamten Radius und greifen um das Gehäuse 18. Wellendichtringe 76 und 78 zwischen den Wellenteilen 62 und 64 und den Gehäuseflanschen 72 und 74 vermeiden das Eindringen von Restfeuchtigkeit in die Lager. Sie schützen dadurch den Schmierfilm und verhindern Korrosion. Jeweils ein Gehäusedeckel 84 und 86 verschließt die Gehäuseflansche 72 und 74 und verhindern das Eindringen von Schmutz oder dergleichen in die Lager. Für die Welle 60 ist auf der einen Seite eine Öffnung vorgesehen, durch welche diese durch den Gehäusedeckel 84 ragt. An dem hindurchragenden Teil kann die Arbeit abgegriffen werden.

Das Gehäuse 18 ist mit Vorwärmkanälen 88 versehen. Durch diese Vorwärmkanäle 88 wird Wasserdampf geleitet, um die Anordnung beim Anlaufen des Expanders auf geeignete Weise vorzuwärmen und zum Beispiel einer unerwünschten Kondensation von Wasser vorzubeugen.

Dampf, welcher unvermeidlich durch die Kohlenstoffdichtungen ausdringt, kann durch Entlüftungsbohrungen 90 in den Gehäuseflanschen 72 und 74 nach außen entweichen.

Claims

1. Expansionsmaschine (10) mit einer Laufbuchse (14), einem in der Laufbuchse (14) umlaufenden Rotor (12) und einer von dem Rotor (12) angetriebenen Welle (60), wobei der Rotor seitlich mitlaufende Scheiben (46, 48) aufweist, welche in radialer Richtung durch Dichtungen (54, 56) gegen Dichtungsdeckel (50, 52) der Laufbuchse (14) abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) in axialer Richtung schwimmend gelagert ist, und den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Laufbuchse (14) hat.

2. Expansionsmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dichtungsdeckel (50, 52) radial nach innen erstrecken und zwischen dem Rotor (12) und den Dichtungsdeckeln (50, 52) jeweils eine feststehende Dichtungsscheibe (40, 42) angeordnet ist.

3. Expansionsmaschine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsscheiben (40, 42) in radialer Richtung auf der Höhe der Dichtungen (54, 56) an die mitlaufenden Scheiben (46, 48) angrenzen.

4. Expansionsmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen (54, 56) aus Kohlenstoff bestehen.

5. Expansionsmaschine (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mitlaufenden Scheiben (46, 48) aus Zirkoniumoxid bestehen.

6. Expansionsmaschine (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) und die Lautbuchse (14) aus dem gleichen Material bestehen.

7. Expansionsmaschine (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) von einem Flügelzellenrad gebildet ist.

8. Expansionsmaschine (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsdeckel (50, 52) mittels parallel zur Rotationsachse (16) verlaufender Bolzen (44) mit der Lautbuchse (14) verbunden sind.

9. Expansionsmaschine (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Dichtungsscheiben (40, 42) mittels der Bolzen (44) mit der Laufbuchse (14) und den Dichtungsdeckeln (50, 52) verbunden sind.

10. Expansionsmaschine (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Rotationsachse (16) verlaufende Zylinderstifte zur Fixierung der Dichtungsdeckel (50, 52) vorgesehen sind.

11. Expansionsmaschine (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mitlaufenden Scheiben (46, 48) mit dem Rotor (12) verschraubt sind.