DE2404270B2 - Hochdruckumwaelzgeblaese - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Hochdruckumwälzgebläse mit außerhalb des Druckraumes angeordnetem Antriebsmotor und im Druckraum gelagerter Läuferwelle mit fliegend angeordnetem Laufrad und mit einer Dicht- und Schmiereinrichtung zum Zu- und Abführen von Sperr- und Schmierflüssigkeit, wobei zur 270

Kompensation des Axialschubs ein hydraulisches Axiallager dient.

Es sind Hochdruckumwälzgebläse bekannt, bei denen keine Sperrflüssigkeit benötigt wird. Sie besitzen, ein gemeinsames Gehäuse für Antriebsmotor und Gebläse und enthalten die Hauptabdichtung hinter der Verdichterhauptwelle unmittelbar vor den Laufrädern. Hierbei ist durch den Einbau des Motors in das Gehäuse die Motorleistung begrenzt. Man kommt maximal zu Leistungen von etwa 700 kW und Drehzahlen bis zu 3000 U/min. Dem herrschenden Trend zur Vergrößerung von Syntheseanlagen genügen derartige Leistungen nicht mehr. Mit doppelten bis vierfachen Anforderungen wird aber der Einbau der Motoren in den Dmckraum zu aufwendig.

Ferner ist eine Wellendichtung für Hochdruckgas-Umwälzgebläse mit ölschmierung bekannt, bei der eine Hauptsperröldichtung zwischen dem Traglager und dem Gebläselaufrad angeordnet ist, wodurch ein überaus großer Wellendurchmesser an der Dichtungsstelle erforderlich ist.

Es war somit die Aufgabe, für die Gas- oder Flüssigkeitsumwälzung bei hohen Drücken über 200 atü ein Hochdruckumwälzgebläse zu schaffen, das die genannter Nachteile vermeidet, das gesteigerte Leistungen aufweist und möglichst geringen Sperrölverbrauch und Aufwand erfordert.

Dabei war davon auszugehen, daß der Einbau von Motor und Verdichter bzw. Pumpe in ein gemeinsames Gehäuse verlassen werden muß, um die sonst gegebene Begrenzung der Motorleistung zu umgehen. Um den Aufwand gering zu halten, sollte ferner die Maschine bei kleinen Drucksteigerungen einstufig fliegend ausgeführt werden, was Probleme der Abdichtung und der Aufnahme des vom Druck und der Querschnittsfläche der Antriebswelle abhängigen Axialschubs aufwirft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die radial begrenzt bewegliche Läuferwelle antriebsseitig zunächst aus einer biegeelastischen Torsionswelle von entsprechend den auftretenden Torsionsspannungen geringstmöglichem Durchmesser besteht, der ein hydrostatisches Axiallager aufgesetzt ist, dem sich die das oder die Laufräder tragende Verdichterhauptwelle anschließt und daß die die Torsionswelle umgebende Torsionswellendichtung als Hauptdichtung zur Abschirmung des Innenraumdrucks vom Atmosphärendruck ausgelegt ist und zwischen Torsionswelle und Torsionswellendichtung einerseits und hydrostatischem Axiallager, Entlastungskolbenhülse und Gehäuse andererseits eine Kammer für die über eine Zuleitung zugeförderte, den Gehäuseinnendruck aufnehmende Sperr- und Schmierflüssigkeit angeordnet ist.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß in der Kammer an der Torsionswellendichtung als Stillstandsvorrichtung eine Anschlagsvorrichtung für den Entlastungskolben angeordnet ist.

Außerdem ist es erfindungsgemäß, daß zwischen dem den Hauptteil der Verdichterhauptwelle umgebenden Lagerkörperinnenraum und dem Tank eine ein Druckregelventil und einen Flüssigkeitsabscheider aufv/eisende Ableitung angeordnet ist.

Ferner liegt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung darin, daß zwischen dem Gehäuse und der am Ende der Verdichterhauptwelle befindlichen Hauptwellendichtung eine Kammer angeordnet ist, von der eine Ableitung über einen Sammelbehälter entweder über ein Ventil in den Tank oder von einem Drosselsystem

gesteuert zu einem offenen Ablaß führt wobei das Drosselsystem auch das in der Ableitung zum Tank angeordnete Ventil steuert und daß der Kammer die den Gehäuseinnendruck aufnehmende Sperr- und Schmierflüssigkeit aus dem Tank durch eine druckabhängige Pumpe mit Kolbencharakteristik über eine Zuleitung mit Rückschlagventil zugefördert wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der einen schematischen Querschnitt darstellenden Figur beschrieben. Dabei bedeutet

1 ein fliegend angeordnetes Laufrad,

2 den Lagerkörper-Innenraum,

3 die Torsionswelle,

4 die Verdichterhauptwelle,

5 die Torsionswellendichtung,

6 den Entlastungskolben.

7 die Pumpe mit Kolbencharaktei istik,

8 den Flüssigkeitsabscheider,

9 den Tank,

10 die Entlastungskolbenhülse,

11 die Hauptwellendichtung,

12 die Zwischenkammer,

13 den Sammelbehälter,

14 das Ventil,

15 das Drosselsystem,

16 die Kammer vor dem Entlastungskolben 6,

17 die dem Entlastungskolben 6 aufgesetzten zylindrischen Scheiben,

18 die an der Entlastungskolbenhülse 10 befindlichen Nuten,

19 die Sperr- und Schmierflüssigkeits-Zuleitung,

20 das Rückschlagventil in der Zuleitung 19,

21 die Anschlagsvorrichtung für den Entlastungskolben β an der Torsionswellendichtung 5,

22 die Ableitung aus dem Lagerkörperinnenraum 2,

23 das vom Gasdruck gesteuerte Druckregelventii in der Ableitung 22,

24 die Ableitung aus der Zwischenkammer 12,

25 die vor der Torsionswellendichtung 5 befindliche Kammer,

26 die Ableitung zwischen Kammer 25 und Tank 9.
Aus der Figur ist erkennbar, da3 sich in dem Verdichtergehäuse zunächst eine Wellenanordnung befindet, die von der Antriebsmotorseite aus betrachtet, zunächst aus der Torsionswelle 3 mit aufgesetztem Entlastungskolben 6 besteht, dem die Verdichterhauptwelle 4 angekuppelt ist, die die Laufräder 1 trägt.

Hierbei ist nun die Torsionswelle 3 von der Torsionswellendichtung 5 umgeben, die als rlauptdichtung ausgelegt ist. Diese Torsionswelle 3 ist nahezu frei von Biegespannungen und übt keinen wesentlichen Einfluß auf die kritische Drehzahl der Verdichterhauptwelle 4 aus. Der Antrieb durch eine Torsionswelle 3 ermöglicht den kleinstmöglichen Durchmesser der Torsionswellendichtung 5 und damit den kleinsten Achsschub. Die Torsionswelle 3 stellt das Antriebselement dar, das das Drehmoment auf die Verdichterhauptwelle 4 überträgt. Der Verbrauch an Sperrmittel ist durch den kleinen Torsionswellendurchmesser minimal.

Der Torsionswelle 3 schließt sich der Entlastungskolben 6 mit aufgesetzten zylindrischen Scheiben 17 an, der zusammen mit der Entlastungskolbenhülse 10 rnii in ihr angebrachten versetzten Nuten 18 den Axialschub aufnimmt. Ziwschen dem Entlastungskolben 6, der Entlastungskolbenhüise 10 und dem Gehäuse einerseits und der Torsionswelle 3 und der Torsionswellendichtung 5 andererseits befindet sich die Kammer 16, in die die Sperr- bzw. Schmierflüssigkeit in den Hochdruckverdichter eingeleitet wird.

Die Sperr- bzw. Schmierflüssigkeit, beispielsweise öl oder Wasser, stammt in diesem Beispiel aus dem Tank 9, aus dem sie durch die druckunabhängige Pumpe mit Kolbencharakteristik 7 unter einem den Verdichterdruck natürlich übersteigenden Druck über die mit dem Rückschlagventil 20 ausgestattete Zuleitung 19 in die Kammer 16 eingeführt wird.

Die Kammer 16 wird durch die Sperr- und Schmierflüssigkeit vollkommen ausgefüllt. In dieser Kammer 16 nimmt die Sperr- und Schmierflüssigkeit vom Entlastungskolben 6 mit seinen aulgesetzten zylindrischen Scheiben 17 den Axialschub als Druck auf und erfährt dadurch eine Kompression, wobei sich der Kompressionsdruck entsprechend den Unterschieden der druckbeaufschlagten Flächen als ein Innendruck ergibt, der größer als der Gasdruck des durch die Laufräder 1 geförderten Mediums ist.

Als Folge davon wird ein Teil der Sperr- und Schmierflüssigkeit zwischen Torsionswelle 3 und Torsionswellendichtung 5 hindurchgedrückt und gelangt von der vor der Torsionswellendichtung 5 befindlichen Kammer 25 über die Ableitung 26 in den Tank 9 zurück.

Der Hauptteil der Sperr- und Schmierflüssigkeit gelangt in den Raum zwischen Entlastungskolben 6 und Entlastungskolbenhüise 10 und von hier entweder über Kanäle in die einzelnen Lager oder entlang der Läuferwelle schließlich in den Lagerkörperinnenraum 2.

Es wird von den Gegebenheiten abhängen, wie weit sich der Lagerkörper-Innenraum 2 anfüllt. Es mag sein, daß er vollkommen ausgefüllt wird, es ist aber auch möglich, daß sich nur so viel Flüssigkeit ansammelt, wie ihm über die Ableitung 22, das Druckregelventil 23 und den Flüssigkeitsabieiter 8 zum Tank S wieder entzogen wird, in dem ein niedrigerer Druck herrscht.

In jenen Fällen, bei denen infolge der herrschenden Druckverhältnisse der Lagerkörper-Innenraum 2 größere Flüssigkeitsmengen enthält oder völlig gefüllt ist, wird ein Teil der Flüssigkeit auch durch die Verdichterhauptwellen-Dichtung 11 bis zur nachgeordneten Kammer 12 dringen. Dieser Flüssigkeitsanteil wird von dort über die Ableitung 24 in einen Sammelbehälter 13 abgeleitet, dessen Entleerung durch das Ventil 14 gesteuert wird. Selbstverständlich kann auch dieser Flüssigkeitsanteil später wieder dem Tank 9 zugeführt werden, falls er nicht über das Drosselsystem 15 an einen offenen Ablaß gelangt.

Es versteht sich, daß im Tank 9 selbst ein niedrigerer Druck als in den Kammern um das Wellensystem herrscht. Bei sehr huhen Gasdrücken kann der Fall eintreten, daß das spezifische Gewicht des Gases annähernd die gleiche Größenordnung des spezifischen Gewichts der Flüssigkeit erreicht. In einem solchen Fall wird der Lagerkörper-Innenraum 2 vollkommen mit Flüssigkeit gefüllt und dann durch ein zusätzliches Druckregelventil 23 dafür gesorgt, daß der im Lagerkörper-Innenraum 2 herrschende Druck etwa 0,5 bis 1,0 atü über dem Gasdruck liegt.

Der unterste Flüssigkeitsstand im Flüssigkeitssammeibehälter 13 wird erreicht, wenn Gas an seinem Ausfluß zum Drosselsystem 15 mit ausströmt. In diesem Falle ist der Druckverlauf in diesem Drosselsystem 15 nicht mehr linear, sondern der Druck steigt vor dem letzten Drosseln erheblich an. Dieser Druckanstieg kann zum Steuern des Ventils 14 benutzt werden, durch welches der größte Teil der Flüssigkeitsmenge abfließen muß. Dieses Ventil 14 kann ein Magnetventil mit

Öffnungsverzögerungen oder auch ein hydraulisch oder pneumatisch gesteuertes Ventil sein.

Bei Stillstand des Verdichters und Stillstand der Pumpe 7 wirkt nur noch der Gasdruck im Inneren des Verdichtergehäuses und verschiebt die Läuferwelle so weit, bis der Entlastungskolben 6 an der Anschlagvorrichtung 21 der Torsionswellendichtung 5 anliegt und damit den Druckraum gegenüber der Atmosphäre gegebenenfalls auch ohne Sperrflüssigkeit als Stillstandsdichtung abdichtet. ·

Gegenüber dem Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung weiterhin folgende Vorteile:
1. Die Ringspaltfläche, gebildet aus dem Produkt von Wellendurchmesser und Ringspalt, wird erheblich reduziert, was den Sperrölverbrauch auf einen Bruchteil gegenüber einer erheblichen Dichtung vermindert.

2. Die Gleitgeschwindigkeit zwischen Welle und Wellenhauptdichtung wird erheblich reduziert, was keine Erwärmungsschwierigkeiten mehr verursacht, da der Wärmeanfall sich mit dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit ändert.

3. Der Axialschub, welcher dadurch entsteht, daß die Antriebswelle aus dem Druckraum herausgeführt wird und die Größe des Produkts aus Gasinnendruck und Kreisfläche der Welle an der Dichtungsstelle annimmt, stößt bei bekannten Ausführungen auf erhebliche Schwierigkeiten, wenn die Gasinnendrücke Werte von etwa 500 atü annehmen. Durch den kieinen Durchmesser der Torsionswelle gemäß der Erfindung können demgegenüber die Axialschübe in erträglichen Größen gehalten und leicht durch hydrostatische oder hydrodynamische Axiallager ausgeglichen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche: 24

1. Hochdruckumwälzgebläse mit außerhalb des Druckraumes angeordnetem Antriebsmotor und im Druckraum gelagerter Läuferwelle mit fliegend angeordnetem Laufrad und mit einer Dicht- und Schmiereinrichtung zum Zu- und Abführen von Sperr- und Schmierflüssigkeit, wobei zur Kompensation des Axialschubs ein hydraulisches Axiallager ίο dient, dadurch gekennzeichnet, daß die radial begrenzt bewegliche Läuferwelle antriebsseitig zunächst aus einer biegeelastischen Torsionswelle (3) von entsprechend den auftretenden Torsionsspannungsn geringstmöglichem Durchmesser besteht, der ein hydrostatisches Axiallager (6) aufgesetzt ist, dem sich die das oder die Laufräder (1) tragende Verdichtungshauptweile (4) anschließt und daß die die Torsionswelle (3) umgebende Torsionswellendichtung (5) als Hauptdichtung zur Abschirmung des Innenraumdrucks vom Atmosphärendruck ausgelegt ist, und daß zwischen Torsionswelle

(3) und Torsionswellendichtung (5) einerseits und hydrostatischem Axiallager (6), Entlastungskolbenhülse (10) und Gehäuse andererseits eine Kammer (16) für die über eine Zuleitung (19) zugeförderte, den Gehäuseinnendruck aufnehmende Sperr- und Schmierflüssigkeit angeordnet ist.

2. Hochdruckumwälzgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (16) an der Torsionswellendichtung (5) als Stillstandsvorrichtung eine Anschlagsvorrichtung (21) für den Entlastungskolben (6) angeordnet ist.

3. Hochdruckumwälzgebläse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem den Hauptteil der Verdichterhauptwelle (4) umgebenden Lagerkörperinnenraum (2) und dem Tank (9) eine ein Druckregelventil (23) und einen Flüssigkeitsabscheider (8) aufweisende Ableitung (22) angeordnet ist.

4. Hochdruckumwälzgebläse nach Anspruch 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gehäuse und der am Ende der Verdichterhauptwelle

(4) befindlichen Hauptwellendichtung (11) eine Kammer (12) angeordnet ist, von der eine Ableitung (24) über einen Sammelbehälter (13) entweder über ein Ventil (14) in den Tank (9) oder von einem Drosselsystem (15) gesteuert zu einem offenen Ablaß führt, wobei das Drosselsystem (15) auch das in der Ableitung zum Tank (9) angeordnete Ventil (14) steuert.

5. Hochdruckumwälzgebläse nach Anspruch 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kammer (16) die den Gehäuseinnendruck aufnehmende Sperr- und Schmierflüssigkeit aus dem Tank (9) durch eine druckabhängige Pumpe mit Kolbencharakteristik (7) über eine Zuleitung (19) mit Rückschlagventil (20) zugefördert wird.