DE1475657A1

DE1475657A1 - Wellendichtung fuer eine thermische Maschine

Info

Publication number: DE1475657A1
Application number: DE19651475657
Authority: DE
Inventors: Konrad Oechslin
Original assignee: Escher Wyss AG
Current assignee: Sulzer Escher Wyss AG
Priority date: 1964-06-26
Filing date: 1965-04-28
Publication date: 1969-03-13
Also published as: DE1475657C3; NL6506170A; US3351396A; GB1059435A; DE1475657B2; CH418363A

Description

. Albrecht

Edtlhotdamm 2β
Telefon (0311) 40 96 ββ

H75657

Baohsr Wys Aktiengesellschaft. Zürich (Schweiz)

Wellendichtung für eine thermisch· Maschine,

Die Erfindung betrifft eine eine StopfbUohee aufweisende Wellendichtung zwischen dem helesen MasohinengehXuse und der Welle einer thermischen Maschine, bei welcher das Wellenlager der Welle mit kaltem Lagerkörper vom Maschinengehäuse entfernt ausserhalb desselben gelagert ist« wobei die Verbindung zwischen dem MaschlnengehXuse und dem Lagergehäuse eine ringförmige Membrane aufweist.

Bei thermischen Maschinen wie Dampf- oder Gasturbinen oder Verdichtern 1st es Insbesondere in Anlagen mit geschlossenem Kreislauf notwendig, Durohtrittetellen von Wellen durch das MaschinengehXuse möglichst dicht zu halten. Hierzu werden Stopfbßohsen verwendet« wobei das StopfbUchsengehMuse aus dem MasohlnengehMuse und/oder aus dem Lagergehäuse des Wellenlagers der Welle gebildet wird.

Bei kaltem Masohinengeh&uae, welches beispielsweise nur den Innendruck der Masohine aufzunehmen hat« während die

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Innentemperatur der Maschine durch ein eine Isoliermass· haltendes inneres Gehäuse aufgenommen wird* kann da« Läget* gehäuse des Wellenlagers mit dem Masohinengehäuse verschraubt werden. Ist das Maschlnengehäuse aber heisa, sind besonder· Vorrichtungen notwendig, um die Dehnungsunterschied· zwisohen dem MasohinengehHuse und dem notwendigerweise kalt gehaltenen Lagergehäuse in wellenaohssenkreohter Richtung sowie die Relativlageveränderungen des Maschinengehäuses zum Lagergehäuse in Wellenachsrichtung aufzunehmen.

Wird zwischen den beiden Gehäusen eine Membrane vorgesehen, so ist diese in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen auf Verformung beansprucht, und es ist eine bei allen Relativlagen der BerUhrungsllnien der Membrane reit den durch sie verbundenen GehSusen zueinander gleichmässig wirksame niederdruckseitige Abstutzung der Membrane nicht möglich, und diese Ausführungsart hat daher den Nachteil einer kurzen Standzelt der Membrane.

Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu Überwinden. Zu diesem Zwecke wird eine Wellendichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäss derart ausgebildet, dass ein ZwischengehSuse Vorgesehen ist, das an seinem einen, dem .Lagergehäuse ausewan^tdn finde «um Lagergehäuse . ..-axial bewegbar und> radial feet gelagert ist, und das -- * an seinem anderen, den Maschinengehäuse zugewandten · »

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Bade fcöe&lal sturlWe&le stiixtrieH und «um imachlnengehäu·· > «udal feet gelagert und durch die Membrane mit eta { j)

verbünde^ 48 t· ^;- -

In der Zeichnung Bind AuefUhrungebeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt. Ee zeigern Flg. 1 einen vertikalen Axialschnitt durch eine Wellendichtung einer Gasturbine, mit geschlossenem Kreislauf und Luft als Arbeitsmittel _#

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie K-II der Flg. 1 und Flg. 3 einen vertikalen Axialschnitt durch eine Wellendichtung einer Dampfturbine.

Einander entsprechende Teile weisen in allen Fig. gleiche Bezugszeiohen auf.

Die in Flg. 1 dargestellte Wellendichtung wirkt zwischen dem heiseen Masohinengehäuse 1, von welchem ein Teil der arbeitsmittelabströmseitigen Stirnwand gezeigt 1st, und der Welle 2. Vom Maschinengehäuse 1 entfernt ausserhalb desselben ist das eine Lagerschale j> aufweisende Wellenlager der Welle mit kaltem Lagergehäuse 4 angeordnet. Mit 5 1st eine die Welle 2 mit dem antriebseitigen Ende der Welle einer nicht gezeigten Kraftmaschine verbindende Wellenkupplung bezeichnet. An der Innenseite der Lagerschale 3 ist eine Ringnut 6 ausgespart, in welche Schmieröl unter Druck Über eine SchmierölzufUhrleitung 7 eingebracht wird, von wo aus das Schmieröl mittels nioht

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dargestellter Sohmlernuten über die ganze Tragfläche 8 des Wellenlagers verteilt wird. Dabei dient das druckulgesohaiert· Lager 3,4 zugleich als kupplungsseitig äusserster axialer Ab· schnitt der Stopfbüchse der Wellendichtung. Der restliehe axiale Absohnitt der Stopfbüchse der Wellendichtung erstreckt sich vom Wellenlager 3*4 in Richtung gegen das Maschinengehäuse 1 bis zu der mit 9 bezeichneten Stelle auf der Wellenaohse, welcher StopfbUchsenabsohnitt berührungslos dichtend« Labyrinthe 10, 11, 12 aufweist.

Zwlsohen dem MasohinengehMuse 1 und dem Lagergehäuse ist ein Zwisohengehäuse 13 angeordnet, das aus einem Diohtungsteil 14 und aus einem mit diesem mittels Schrauben 15 fest verschraubten Ringteil 16 besteht. Das Zwischengehttttse 13 i»t mit seinem einen, dem Lagergehäuse 4 zugewandten Ende, welche· durch das entsprechende Ende des Dichtungsteils 14 gebildet wird, am maschinengehäuseseitigen Rande des Lagergehluses 4 in diesem axial bewegbar und radial fest gelagert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Lagerschale 3 mit dem Zwisohengehäuse 13 fest verbunden, und der ringförmige Raum 17 zwischen der Welle 2 und dem Dichtungsteil 14 des Zwisohengehäusee ist gegen die Umgebung sowie gegen das Innere des Lagergehäuse· 4 dioht. Das Zwisohengehäuee 13 ist an seinem andern« dem Maschinengehäuse 1 zugewandten Ende, welches durch den Ringteil 16 gebildet wird, in der Wand der die Welle 2 aufnehmenden

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wellenlcoaxlalen Oeffnung l8 la MaeohinengehKuse 1 mitt· la vltr Κ·11·η 19 koaxial zur Welle 2 aentriert und mittels ein·· Bund·· 20, dtr In ·1η· in der Wand d«r Oeffnung 18 ausgespart· Ringnut 21 eingreift, axial feet gelagert. Der die Oeffnung 18 eingrenzende Vabenrlng 22 weit auf der In Masohinenlnnern gelegenen Seite einen alt den Maachlnengehäuse 1 mittel· Schrauben 23 feet versohraubten Ring 24 auf. Der Ringteil 16 des ZwlsohengehXuaes 13 iet durch eine ringfBraige Membrane nit dem Ring 24 dee Nabenringes 22 des Nasohinengehlusee 1 verbunden.. Zur Brei»lung einer genauen Konzentrizität bei der Montage kOnnen mindestens drei nicht gezeigte Keile zwisohen dem Ring 24 und den Ringteil 16 des Zwischengehäuses 13 vorgesehen werden.

Beim Betrieb der Oasturbine wird der Durchmesser des Nabenringes 22 und der Oeffnung 18 zufolge Wärmedehnung des MaschlnengehSuses 1 grosser und der axiale Abstand zwisohen dem MaaohlnengehKuse 1 bzw. dem Nabenring 22 und dem kalt bleibenden Lagergehäuse 4 geringer. Wegen dea geringen Wärmedurchganges durch die Membrane 25 dehnt sioh der Ringteil 16 des ZwisohengehMuses 13 in radialer Riohtung weniger aus, als das Masohinengehäuse 1« und dieser Detanungsuntersohied wird duroh die Membrane 25 aufgenommen. Da das Zwlsohengehäuse 13 zum Masohlnengebäuse 1 axial fest ist, wird die Relativlageverändertng zwlsohen dem Masohinengehiuse 1 und dem Lagergehäuse

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von der eine axiale Relativbewegung erlaubenden Lagerung de· ZwlechengehHuses 13 im Lagergehäuse 4 aufgenommen.

Durch diese Mascnahmen wird erreicht* dass die Membrane 25 Verformungen nur In radialer, wellenachsaenkrechter Richtung ausgesetzt ist» was eine lHngere Standzeit der Membrane 25 ergibt» während der axiale Ausgleich zwischen Maachinengehluee 1 und Lagergehäuse 4 durch die kaum einem Versohlelee unterliegende Lagerung des Zwischengehäuses 13 im Lagergehäuse 4 bewerkstelligt wird.

Das Zwischengehäuse 13 ist mit dem Lagergehäuse 4 über die Auflagezone 26 wärmeleitend verbunden, so dacs in den Auflagebereichen der beiden Gehäuse keine wesentlich unterschiedlichen Temperaturen auftreten* womit eine unerwünschte Aenderung des Spieles des Lager gehäuses 4 zum Zwischangehliuse 13 und/oder der Lagerschale 3 zur Welle 2 vermieden und zudem die Temperatur der Lagerschale 3 entsprechend derjenigen des Lagergehäuses 4 tief gehalten wird.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lagerachale 3 mit dem Zwischengehäuse 13 fest verbunden und folgt mit diesem den Bewegungen des Maschinengehäuses 1 zufolge wärmedehnung in Wellenachsrichtung« welche Bewegungen angenähert derjenigen des als Lagerzapfen dienenden Abschnittes der Welle 2 entsprechen. Die Lagerschale 3 könnte auch fest mit dem Lagergehäuse 4 verbunden sein* wobei entlang der Auflagezone 26

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zwischen dem Lagergehäuse 4 und dem Zwlsohengehäuse 13 eine allenfalls durch besondere Massnahmen zu dichtende Fuge zwischen dem Raum 17 und der Umgebung vorhanden wäre. Das ZwI-sohengehäuse 13 könnte auoh das Lagergehäuse 4 von aussen
Umfassend oder auf eine sonstige Weise zum Lagergehäuse 4 axial beweglich und zugleioh dicht ausgebildet sein.

Im dargestellten AusfUhrungsbeisplel 1st der Dichtungstell 14 des Zwiiohangehäuses 13 als der weitaus grossere, die Labyrinthe 10, 11* 12 umfassende axiale Abschnitt des Oehäuses der Stopfbpohse der Wellendichtung ausgebildet, welche Stopfbuchse ausser diesen Labyrinthen 10, 11, 12 noch das druokölsohmierte und - gedichtete Wellenlager 3» 4 der Welle 2 umfasst. Es ist aber auoh möglich, im Dlohtungsteil 14 des
Zwischengehäuses 13 weniger oder keine Labyrinthe vorzusehen, und die Labyrinthe teilweise oder ganz in einer den Nabenring 22 axial fortsetzenden besonderen Nabe in und/oder ausserhalb des Maechinengehäuses 1 anzuordnen, in welohe· Falle die axiale Abmessung des Zwisohengehäuses 13 entsprechend kleiner gehalten werden kann.

Die gegen das Innere des Maschinengehäuses 1 gerichtete Stirnseite des Ringes 24 am Nabenring 22 des Maschinengehäuses 1 verläuft wellenachssenkreoht, ebenso die nach dem Maschineninneren gerichtete Stirnseite des Ringteiles 16 des Zwischengehäuses 13, und diese beiden Stirnflächen fluchten miteinander.

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Da die BerUhrungsllnien der Membrane 25 mit jedem der durch sie verbundenen Teile im Bereiohe der Membrane bei «lien DehnungsBUSt&nden ihre axiale Lage nioht verändern, bilden die beiden genannten Stirnflächen miteinander ,eine stete glelohmKssig wirkende niederdruokseitlge Abstützung für die Membrane 25,und die die Arbelteriohtungen der Membrane 25 beeohreibenden Linien schneiden sich in einem auf der Achse der Welle 2 gele«

genen Funkt senkrecht βατ AöJise\ Dieee loaesnahiwn tragt»' ^u «ueätzlioh mf eine».langen Standeeit ÖerTtembrane 25 bei.

Mit 27 1st eine 3perreittelruführleitung bezeichnet, über welche Sperrluft in einen zwischen den Labyrinthen 10, 11 gelegenen Ringraum 28 eingebracht wird. Dabei weist die Sperrluft einen höheren Druck und eine niedrigere Temperatur al· das Arbeitsmittel unmittelbar an der masohineninneren Seit· des Ringspaltes zwischen der Welle 2 und dem Ringteil 16 des 2*1-sohengehäuses 1J5 auf. Bs Strumen daher Spuren von SperrIuHt vom Ringraum 28 ins Masohineninnere, wobei der Ringteil 16 gekühlt wird. Dieses Strumen der Sperrluft oder eines anderen» mit dem Arbeitsmittel verträglichen Sperrmittel· las Nasohlneninnere 1st insbesondere dann zweckmXsslg, wenn ein Intwelehen von Spuren des Arbeitsmittels» beispielsweise eines radioaktiven, aus dem Maschineninneren verhindert werden soll* Das Sperrmittel könnte aber auoh einen geringeren Druck als das Arbeitsmittel aufweisen, in welchem Falle Spuren des Arbelts-

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mitttls in dtn Ringraum 28 strömen würden. Vom Ringraum 28 führt «in Abströmweg des Sperrtnittels in den zwischen den Labyrinthen 11,12 gelegenen Ringraum 29» der an eine SperrmittelabfUhrleitung 30 angeschlossen ist. In dem zwischen dem Labyrinth 12 und dem Lager 3*4 gelegenen ringförmigen Raum 17* der das von der Ringnut 6 in der Lagerschale 3 kommende Schmier- und Sperröl aufnimmt« und welcher an eine SchmierölabfUhrleitung Jh angeschlossen ist, herrscht ein geringerer Druck, als im Ringraum 29, so dass eine Spur von Sperrluft vom Ringraum in den Raum 17 strömt. Diese Massnahme ist besonders dann notwendig, wenn der Sperrluftkreislauf mit dem Arbeitsmittelkreislauf in Verbindung steht, beispielsweise also die Sperrluftzufuhrleitung 27 mit dem Austrittstutzen und die Sperrmittelabf Uhrleitung 30 mit dem Eintrittstutzen des oder der vom Arbeitsmittel durchströmten Kompressoren münden, wobei ein Eindringen von Oelnebel in den Arbeitsmittelkreislauf vermieden werden muss. Die vom Ringraum 28 zum Ringraum 29 in grösserer Menge strömende Sperrluft kühlt das Zwischengehäuse 13 nachhaltig; die geringere, vom Ringraum 29 in den Raum 17 ströhmende Sperrluftmenge kühlt den zufolge der Wärmeleitung über die Auflagezone 26 bereits vom Lagergehäuse 4 her beträchtlich gekühlten Abschnitt des Zwischengehäuses 13 zusätzlich.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Wellendichtung an einer Dampfturbine ist der zwischen dem Ringraum 29 und dem Raum 17 gelege-

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ne Abschnitt der Stopfbüchse in zwei durch einen Ringraum 32 getrennte Labyrinthe 12*,12" unterteilt» und der Ringraum 32 ist durch einen Stutzen 39 mit der Umgebung verbunden. Dem Ringraum 28 wird über die SperrmittelzufUhrleitung 27 Sperrdampf zugeführt» der einen höheren Druck und eine niedrigere Temperatur aufweist» ale der Arbeitsdampf unmittelbar an der maschineninneren Seite des Ringspaltes zwischen der Welle 2 und dem Ringteil 16 des Zwisohengehäuses 13* und es treten Spuren von den Ringteil 16 kühlendem Sperrdampf ins Maschineninnere über. Der andere Abströmweg des Sperrdampfes führt nach dem Ringraum 29 und aus diesem über die Sperrmittelabfahrleitung 30 zu einer entsprechenden Dampfstufe oder ausserhalb der Anlage. Vom Ringraum 29 in Richtung gegen das Wellenlager 3*4 durch das Labyrinth 12* gelangende Spuren von Sperrdampf treten aus dem Ringraum 32 über den Stutzen 3? aus der Anlage hinaus» ebenso Spuren von aus dem Raum 17 durch das Labyrinth 12*' übertretende Spuren von Schmieröl. Auf diese Welse wird ein Bindringen von Wasser in den Sohmierölkreislauf und eine Erwärmung des Wellenlagers 3»4 durch Sperrdampf zuverlässig verhindert.

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Claims

Patentansprüche ι

1. Eine Stopfbüchse aufweisende Wellendichtung zwischen dem heissen Maschinengehäuse und der Welle einer thermischen Maschine, bei welcher das Wellenlager der Welle mit kaltem Lagerktirper vom Maschinengehäuee entfernt ausserhalb desselben gelagert ist, wobei die Verbindung zwischen dem Maschinengehäuse und dem Lagergehäuse eine ringförmige Membrane aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischengehäuse (13,14,16) vorgesehen ist, das an seinem einen, dem Lagergehäuse (4) zugewandten Ende (14) zum Lagergehäuse (4) axial bewegbar und radial fest gelagert ist, und das an seinem anderen, dem Maschinengehäuse (1) zugewandten Ende (16) koaxial zur Welle (2) zentriert und zum Maschinengehäuee (1) axial fest gelagert und durch die Membrane (25) mit dem Maschinengehäuee (1) verbunden ist.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Zwischengehäuse (13,14,16) umgebene Raum (17) gegen die Umgebung und gegen das Innere des Lagergehäuses (4) dicht ist.

3. Wellendichtung nach Anepruch 1, daduroh gekennzeichnet, dass das Zwischengehäuse (13,14,16) mit dem Lagergehäuse (4) wärmeleitend verbunden ist.

4. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischengehäuse (13,14,16) mindestens als axialer Abschnitt der Stopfbüchse (lo,ll,12,3) ausgebildet ist.

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5* Wellendichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse (1,24) und das Zwisehengehäuse (13,16) auf Hiederdruckseite der Membrane (25) als AbstÜtztlächen für die Membrane (25) auegebildet sind.

6. Wellendichtung nach Anspruch^1, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Arbeiterichtungen beschriebene Fläche der Membrane (25) im wesentlichen wellenachsensenkrecht verläuft und die Abstutzflächen der Membrane im wesentlichen wellenachssenkrecht fluchten.

7* Wellendichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstüfcflache des Zwisohengehäuses (13,16) durch dessen im Maschineninnem gelegene Stirnfläche und die Abstützfläche des Maschinengehäuses (1,24) durch die nach innen gerichtete Stirnseite eines die Oeffnung (18) der Welle (2) in der Wand des Maschinengehäuses (1) eingrenzenden Rabenringes (22) gebildet wird.

8. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel des Wellenlagers (3,4) gleichzeitig als Sperrmittel dient, dessen einer Abströmweg gegen das Maschinengehäuse (1) hin verläuft, und dass die Stopfbüchse (lo,11,12,3) von einem zweiten Sperrmittel beaufschlagt ist, dessen einer Abstrus*eg ine Innere der Maschin* reicht.

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9· Wellendichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zwiete Sperrmittel eine niedrigere Temperatur aufweist aledae Arbeitsmittel der Maechine.

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