DE3627778A1

DE3627778A1 - Beruehrungsfreie zentrifugaldichteinrichtung fuer einen rotierenden maschinenteil

Info

Publication number: DE3627778A1
Application number: DE19863627778
Authority: DE
Inventors: Jakob Dr Keller
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1986-08-16
Filing date: 1986-08-16
Publication date: 1988-02-18
Also published as: FR2602846A1; CH673140A5; US4927327A; FR2602846B1; JP2515345B2; JPS6353364A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine berührungsfreie Zentrifugaldichteinrichtung für einen rotierenden Ma schinenteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es handelt sich dabei um eine berührungsfreie Dichtein richtung, die auf aerodynamischen Effekten beruht und deren Hauptanwendungsgebiet Turbomaschinen im allgemein sten Sinne sind, die sich aber im besonderen für die Ver wendung bei Radialverdichtern und Radialturbinen eignen.

Stand der Technik

Bei Turbomaschinen dienen üblicherweise Labyrinthdich tungen dazu, durch Drosselung in Spalten das Entweichen des zu verdichtenden bzw. zu expandierenden Mediums aus den Schaufelkanälen in den Raum möglichst zu unterbinden, der durch das Spiel zwischen dem Verdichter- bzw. Turbi nenläufer und dem Gehäuse gebildet wird. In diesem Raum herrscht ein geringerer Druck als in den Schaufelkanälen, was die Ursache für die Leckverluste ist.

Die Wirksamkeit von Labyrinthdichtungen, welche diese Leckverluste möglichst klein halten sollen, hängen in erster Linie von den radialen und axialen Spaltbreiten zwischen den Labyrinthkämmen und den Labyrinthkammern und von deren Anzahl ab. Diese Spaltbreiten können aber nicht, wie bei statischen Verhältnissen, beliebig klein ausgeführt werden, sondern sind unter Berücksichtigung der Wärmedehnungsdifferenzen von Welle, Läufer und Dicht kämmen einerseits und dem Gehäuse mit den Dichtkammern andererseits sowie der im Betrieb zu erwartenden grössten Ausschläge infolge Vibrationen der rotierenden Elemente zu dimensionieren. Demgemäss sind mehr oder weniger grosse Leckverluste bei Labyrinthdichtungen unvermeidlich.

Ueberdies erfordern Labyrinthdichtungen einen nicht uner heblichen Bauaufwand. Bei kleineren Durchmessern der abzudichtenden Spalte werden die Dichtkämme und die nuten förmigen Dichtkammern in der Regel aus dem Vollen ge dreht mit entsprechend aufwendiger Zerspannungsarbeit. Dies gilt auch, wenn bei grösseren Durchmessern die Kämme und Kammern vorgegossen sind und nur noch auf Mass fertig bearbeitet werden müssen. Ein weiterer Nachteil von Laby rinthdichtungen besteht darin, dass die Bearbeitung mit sehr engen Toleranzen erfolgen muss und auch der Einbau des Läufers in das Gehäuse grosse Präzision erfordert, damit die errechneten Labyrinthspiele tatsächlich er reicht und ein Anstreifen der Kämme vermieden werden.

Darstellung der Erfindung

Die vorerwähnten Nachteile konventioneller Labyrinth dichtungen sollen mit der vorliegenden Erfindung ver mieden werden. Diese betrifft eine berührungsfreie Zentri fugaldichteinrichtung für einen rotierenden Maschinen teil, welcher Rotationsflächen aufweist und in einem Gehäuse rotierend gelagert ist, das gegenüber einem Raum niedrigeren Druckes abzudichten ist, wobei zwischen dem Gehäuse und dem besagten Raum enge Ringspalte mit ver schieden grossen Durchmessern bestehen und die dadurch gekennzeichnet ist, dass an den Rotationsflächen Drall stege vorgesehen sind, die sich von den Ringspalten klei neren Durchmessers bis zu den Ringspalten grösseren Durch messers hin erstrecken, und dass für jede mit Drallstegen versehene Rotationsfläche im Gehäuse eine Wirbelkammer vorhanden ist, in welche die Drallstege hineinragen.

Die Vorteile dieser Zentrifugaldichteinrichtung kommen besonders bei kleinen Verdichtern und Turbinen zur Gel tung, da bei diesen der Anteil der Leckverluste über die Labyrinthe am Durchsatz des Mediums prozentuell grös ser sind als bei grösseren Einheiten. Sie hat ferner den Vorteil, dass die Spalte nicht so eng bemessen werden müssen wie bei Labyrinthen, so dass grössere Bearbei tungstoleranzen erlaubt sind. Zudem handelt es sich bei den Spalten um solche, die von einfach herzustellenden, koaxialen kreiszylindrischen Flächen begrenzt werden, wodurch auch die Wärmedehnungen im Spaltbereich nicht so peinlich genau wie bei einem Labyrinth berechnet wer den müssen. Es ist nur sicherzustellen, dass in radialer Richtung genügend Spiel vorhanden ist, wobei die radiale Spaltbreite keineswegs kritisch und die achsparallele Länge des Spaltes völlig belanglos ist. Bei Erwärmung können sich die erwähnten kreiszylindrischen Spaltflä chen unabhängig voneinander frei verschieben, jegliche Gefahr des Anstreifens der spaltbegrenzenden Flächen ist ausgeschlossen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 ausschnittsweise in einem Axialschnitt schema tisch den Rotor eines doppelflutigen Radialver dichters mit den für das Verständnis der Erfin dung erforderlichen Teilen des Gehäuses,

Fig. 2 einen Zylinderschnitt gemäss dem in Fig. 1 ein getragenen Schnittverlauf II-II, und die

Fig. 3 und 4 zwei Schemaskizzen zur Erklärung des Wir kungsmechanismus, der der Erfindung zugrunde liegt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Bei dem in Fig. 1 dargestellten doppelflutigen Radial verdichter bezeichnet 1 das Verdichtergehäuse und 2 das zweiflutige Verdichterlaufrad. Das durch die zwei symme trisch liegenden Ansaugkanäle 3 angesaugte, zu verdich tende Medium gelangt in die Schaufelkanäle 4 des Lauf rades, die vom Nabenkörper 5, den Laufschaufeln 6 und den Deckwänden 7 begrenzt sind. Die beiden Teilströme 8 des verdichteten Mediums vereinigen sich nach ihrem Aus tritt aus den Schaufelkanälen der beiden Fluten und ver lassen den Verdichter über den spiralförmigen Auslass kanal 9.

Bei herkömmlichen Radialverdichtern sind die Labyrinth dichtungen am Uebergang der äusseren Ansaugkanalbegrenzung in die Deckwände des Laufrades vorgesehen. Bei einfluti gen Laufrädern, die nur eine Deckwand aufweisen, befindet sich die zweite Labyrinthdichtung am äusseren Nabenum fang des Laufrades an der den Schaufeln abgewandten Rück seite. Diese Labyrinthdichtung verhindert dort die Leckage in den Wellenraum des Verdichters.

In Fig. 1 sind die für Labyrinthdichtungen vorgesehenen Stellen durch Kreise 10 gekennzeichnet. Anstelle der Labyrinthe ist dort erfindungsgemäss ein Ringspalt von einer radialen Höhe vorgesehen, bei der unter keinen Umständen ein Anstreifen des Läufers am Gehäuse statt finden kann. Die achsparallele Länge des Spaltes ist dabei nebensächlich.

Weitere körperliche Merkmale der Dichteinrichtung sind Wirbelkammern 11 sowie Drallstege 12, die sich in einem Meridianschnitt des Läufers 2 und über etwa die Länge der Deckwände 7 in die jeweilige Wirbelkammer 11 hinein erstrecken. Sie sind vorzugsweise gleichmässig über die Deckwände 7 verteilt angeordnet und ihre Anzahl und Orien tierung können, wie in Fig. 2 dargestellt, mit der An zahl und Richtung der Laufschaufeln 6 übereinstimmen. Davon abweichend können sie aber auch beispielsweise nur in der Verlängerung jeder zweiten Laufschaufel oder zwischen je zwei benachbarten Laufschaufeln vorgesehen sein.

Die Wirkungsweise einer solchen Dichteinrichtung beruht auf einer Drallübertragung durch die Drallstege 12 des Läufers auf das Medium in der Wirbelkammer 11. Die wei tere Erläuterung folgt unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4. In beiden Figuren bezeichnet 13 einen Ausschnitt einer Deckwand in Form eines Kreisringsektors. Diese Deckwände 13 entsprechen der Deckwand 7 nach Fig. 1. Die in die Wirbelkammern 14 hineinragenden Drallstege 15 bzw. 16 entsprechen den obenerwähnten Drallstegen 12. Man erkennt, dass die Stege 16 breiter sind als die Stege 15. Abgesehen von der Drehzahl, den Eigenschaften des Mediums und den Abmessungen der Wirbelkammer bestim men die Breiten b der Drallstege die Drallübertragung auf das Medium.

Bei schwacher Drallzufuhr, beispielsweise bei kurzen Breiten b ₁ der Drallstege gemäss Fig. 3, induziert ein mit der Deckwand 13 verbundener Läufer in der Wirbel kammer eine Sekundärströmung in Gestalt einer wandnahen Wirbelströmung 17 in radial-axialen Ebenen. Bis zu einem oberen Grenzwert der Breite b ₁ bleibt dabei der Haupt teil des Mediums in der Wirbelkammer fast stationär, d. h., dieser Hauptteil dreht sich in Umfangsrichtung mit einer wesentlich geringeren Winkelgeschwindigkeit als die Deck wand 13.

Bei Steglängen b ₂ grösser als der obere Grenzwert von b ₁ wird dem Medium in der Wirbelkammer ein so starker Drall erteilt, dass die Grenzschichtdissipation an den Wänden der Wirbelkammer nicht mehr in der Lage ist, den erzeugten Drall abzubauen. Sobald dies eingetreten ist, ändert sich das Strömungsfeld in der Wirbelkammer völlig. Die Teilchen des Mediums werden durch diesen starken Drall auf Umlaufbahnen, d.h., orbital stabilisiert. Der Hauptteil des Mediums in der Wirbelkammer bewegt sich dabei wie ein fester Körper mit dem Läufer in azimutaler Richtung und die radial-axiale Drehbewegung von Teilchen des Mediums mit deutlich kleinerer Umfangsgeschwindigkeit reduziert sich auf eine dünne Grenzschicht mit der Dicke d.

Der Unterschied zwischen den beiden Fällen besteht nun darin, dass bei den Verhältnissen gemäss Fig. 3 an den Stellen A und B fast der gleiche statische Druck herrscht, wogegen bei dem in Fig. 4 dargestellten Fall zwischen den Stellen A und B fast die volle statische Druckdiffe renz auftritt, die dem radialen Druckgradienten der Dreh bewegung des Läufers entspricht.

Bei ausreichender Breite b ₂ der Drallstege 7 bzw. 16 können diese in der Wirbelkammer einen Wirbel antreiben, der wie ein fester Körper mit dem Läufer rotiert. Daraus folgt, dass der radiale Druckanstieg in den Schaufel kanälen 4 des Verdichterlaufrades nach Fig. 1 nicht grös ser ist als der radiale Druckanstieg in der Wirbelkammer 11 gemäss Fig. 1 bzw. in der Wirbelkammer 14 gemäss Fig. 4. Somit wird eine Leckströmung über die Spalten an den Stellen A und B nach Fig. 4 und entsprechend an den Stel len 10 gemäss Fig. 1, wo üblicherweise Labyrinthdichtungen vorgesehen sind, und an den Spalten 18 zwischen dem äusse ren Umfang der Deckwände 7 des Verdichterlaufrades 2 und dem Verdichtergehäuse 1 fast völlig unterbunden wer den. Ausserdem erreichen in diesem Falle die Grenzschicht verluste in der Wirbelkammer ein Minimum.

Praktisch wird man die zur Erreichung dieses Zustandes erforderliche Breite b ₂ der Drallstege versuchsmässig durch Messung der Drücke in der Wirbelkammer an den Stel len 10 und 18 ermitteln, wobei bei der Betriebsdrehzahl Läufer mit verschieden breiten Stegen untersucht werden. Um die Ventilationsverluste möglichst gering zu halten, wird man die geringstmögliche Breite b ₂ der Drallstege 12 ermitteln, bei dem die Wirbelströmung mit dem beschrie benen günstigen Druckgradienten auftritt.

Claims

1. Berührungsfreie Zentrifugaldichteinrichtung für einen rotierenden Maschinenteil (2), welcher Rotationsflä chen (7) aufweist und in einem Gehäuse (1) rotierend gelagert ist, das gegenüber einem Raum niedrigeren Druckes abzudichten ist, wobei zwischen dem Gehäuse (1) und dem besagten Raum enge Ringspalte (10; 18) mit verschieden grossen Durchmessern bestehen, da durch gekennzeichnet, dass an den Rotationsflächen (7) Drallstege (12) vorgesehen sind, die sich von den Ringspalten (10) kleineren Durchmessers bis zu den Ringspalten (18) grösseren Durchmessers hin er strecken, und dass für jede mit Drallstegen (12) ver sehene Rotationsfläche (7) im Gehäuse (1) eine Wirbel kammer (11) vorhanden ist, in welche die Drallstege (12) hineinragen.

2. Zentrifugaldichteinrichtung nach Anspruch 1 bei einem Radialverdichter mit einem zweiflutigen Verdichter laufrad (2), wobei die Rotationsflächen zur Aufnahme der Drallstege von zwei Deckwänden (7) des Verdichter laufrades (2) gebildet werden und die Deckwände (7) zusammen mit dem Nabenkörper (5) und den Laufschau feln (6) die Schaufelkanäle (4) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallstege (12) rechteckigen Querschnitt haben und gleichmässig über den Umfang der Deckwände (13) verteilt angeordnet sind, dass sich die Drallstege (12) in radial-axialen Ebenen vom inneren Ringspalt (10) kleineren Durchmessers bis zum äusseren Ringspalt (18) grösseren Durchmessers erstrecken, und dass die Wirbelkammer (11) kegelstumpf förmig ist und ihre Erzeugenden im wesentlichen paral lel zur Aussenfläche der Deckwände verlaufen.

3. Zentrifugaldichteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallstege (12) Verlängerun gen der Laufschaufeln (6) über die beiden Deckwände (7) hinaus bilden.