DE3700153A1 - Turbomaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Es ist bekannt, daß bei derartigen Maschinen eine axiale Kraft auftritt, die gegen einen Anschlag drückt. Im besonderen Fall eines Zentrifugalkompressors mit einem Rad und einer Welle, deren niederdruckseitiges Ende vom Stator umschlossen und deren hochdruckseitiges Ende aus diesem herausragt und somit Atmosphärendruck unterliegt, läßt sich diese axiale Kraft F schematisch durch folgende Formel beschreiben:

F = (p _o - p _a ) S ₁ - (p _f - p _o-) S ₂

Hierbei ist p _o der Niederdruck, p _f der Hochdruck, p _a der Atmosphärendruck, S ₁ der Querschnitt der Welle in Höhe der Abdichtung am Austritt der Welle aus dem Stator und S ₂ der Querschnittsunterschied zwischen dem Querschnitt, der dem Eintritt in das Rad auf der Niederdruckseite entspricht, und dem Quersschnitt des Äquilibrierkolbens.

Durch geeignete Wahl des Durchmessers des Äquilibrierkolbens kann man also erreichen, daß die axiale Kraft, die auf den Anschlag wirkt, in erlaubten Grenzen bleibt. Im Stillstand der Maschine hat jedoch der Äquilibrierkolben keine Wirkung mehr, da sich p _f und p _o sehr schnell ausgleichen und einen Druck p _c im Kreis annehmen und da dann F = (p _c - p _a ) -S ₁ wird, d. h. eine Kraft auftritt, die sehr groß sein kann, wenn der Druck im Kreis p _c sehr hoch ist.

Dies bedingt, daß der Anschlag nicht für die nominalen Betriebsverhältnisse der Maschine ausgelegt werden muß, sondern für die Anfahr- und Auslaufbedingungen. Das kann dazu führen, daß man keine Gasanschläge oder magnetischen Anschläge verwenden kann, die nur mäßige Belastungen aushalten, und daß die Verwendung der Maschinen bei einseitiger Lagerung oder integrierten Lagern begrenzt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen und eine Turbomaschine anzugeben, bei der die auf den Anschlag wirkenden axialen Kräfte beim Hochlaufen und Auslaufen der Maschine beschränkt sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Turbomaschine gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe der einzigen Zeichnung näher erläutert, die eine Turbomaschine in Form eines Zentrifugalkompressors gemäß der Erfindung im axialen Querschnitt zeigt.

Der in der Figur dargestellt Kompressor besteht im wesentlichen aus einem Rotor 1 und einem Stator 7. Der Rotor enthält eine Welle 2, auf der vier Zentrifugenräder 3, 4, 5, 6 sitzen. Der Rotor wird von zwei Magnetlagern 8 und 9 getragen und die axiale Lage wird durch einen doppelten magnetischen Anschlag 10 fixiert. Außerdem sind noch zwei Hilfslager vom Kugeltyp 11 und 12 vorhanden.

Am niederdruckseitigen Ende besitzt der Stator der Maschine, im vorliegenden Beispiel eines Kompressors, eine Ansaugöffnung 13, während am hochdruckseitigen Ende eine Auslaßöffnung 14 vorhanden ist.

Das in der Figur rechte Ende der Welle, d. h. das ansaugseitige Ende der Welle, liegt innerhalb des Stators 7 und unterliegt dem Ansaugdruck, während das auf der linken Seite, d. h. der Hochdruckseite, liegende Ende den Stator über eine Abdichtvorrichtung 15 durchdringt und somit dem Umgebungsdruck unterliegt.

Am hochdruckseitigen Ende jenseits des letzten Rades 6 trägt die Welle 2 einen Ausgleichs- oder Äquilibrierkolben 16, dessen vom niederdruckseitigen Ende 13 am weitestens entfernt liegende Seite 17 über eine Leitung 18 dem Niederdruck unterliegt, wobei diese Leitung das niederdruckseitige Ende der Welle und einen mit der Seite 17 verbundenen Raum 19 miteinander verbindet.

Der Äquilibrierkolben 16 ist gestuft und besitzt zwei unterschiedliche Durchmesser ⌀ _A und ⌀ _B , von denen der größere Durchmesser ⌀ _B sich auf derjenigen Kolbenseite befindet, die der Niederdruckseite näher liegt.

Je eine Dichtvorrichtung 20 bzw. 21 ist in Höhe jedes der beiden Durchmesser ⌀ _A und ⌀ _B des Kolbens 16 zwischen dem Kolben und dem Stator vorgesehen. Eine Zwischenkavität 22 des Stators liegt zwischen den beiden Dichtvorrichtungen. Diese Kavität ist über eine Leitung 23 mit einem Hochdruckspeicher 24 verbunden, der beispielsweise von dem Hochdruckkreis gebildet wird, an dem die Auslaßöffnung 14 angeschlossen ist. So unterliegt die zwischen den beiden Durchmessern des Kolbens liegende Schulter 25 dem Druck des Hochdruckspeichers 24.

Die Hochdrucköffnung 14 ist mit einem Sperrventil 26 versehen, mit dem das hochdruckseitige Ende verschlossen werden kann.

Die Ansaugöffnung 13 ist an einen Niederdruckkreis 27angeschlossen, aus dem der Kompressor ansaugt.

Im Betrieb ist das Ventil 26 offen. Der Niederdruck auf der Ansaugseite liegt beispielsweise bei 30 Bar und der Hochdruck auf der Auslaßseite bei 60 Bar. Die Maschine verhält sich dann so, als hätte der Äquilibrierkolben 16 den Durchmesser ⌀ _A , der dem Niederdruck von 30 Bar ausgesetzt ist. Das Labyrinth 21 liegt auf beiden Seiten am gleichen Druck, nämlich dem Hochdruck von 60 Bar, und hat somit im Normalbetrieb der Maschine keinerlei Wirkung.

Will man den Kompressor anhalten, dann wird das Ventil 26 gesperrt, so daß der Auslaßdruck vor dem Ventil sehr schnell auf den Wert des Ansaugdrucks in der Nähe von 30 Bar bei ruhendem Kompressor absinkt. Wegen des Labyrinths 21 bleibt jedoch die Zwischenkavität 22 auf hohem Druckniveau in der Nähe von 60 Bar, und zwar während des gesamten Auslaufvorgangs bis zum Halt.

Man stellt also einen Druckgewinn von ungefähr 60 - 30 = 30 Bar fest, der auf die Fläche der Schulter 25 wirkt und eine Kraft erzeugt, die sich der erwähnten axialen Kraft widersetzt.

Unter Berücksichtigung des Wellendurchmessers braucht man nur die Oberfläche dieser Schulter 25 geeignet zu berechnen, d. h. die Durchmesser ⌀ _A und ⌀ _B , um zu erreichen, daß die axiale Kraft, die auf den Anschlag 10 einwirkt, in geeigneten Grenzen bleibt.

Berechnet man die axiale Kraft F wie im Fall des Standes der Technik für einen Zentrifugalkompressor mit nur einem Rad, dann erhält man die Formel

F = S ₁ (p _o - p ^a ) -S _BA (p _f -- p _o ) -S ₃ (p _f - p _o )

Hierbei ist p _o der Ansaugdruck, p _f der Auslaßdruck, p _a der Atmosphärendruck, S ₁ die Querschnittsfläche der Welle in Höhe der Dichtvorrichtung, S _BA der Unterschied der Querschnittsflächen zwischen dem Durchmesser ⌀ _A und dem Durchmesser ⌀ _B und S ₃ der Unterschied der Querschnittsflächen zwischen der Ansaugseite und dem Kolbendurchmesser ⌀ _B .

Aus dieser Formel erkennt man, daß der Ausdruck S ₃ (p _f - p _o -) wegem der raschen Abnahme von p _f beim Anhalten rasch zu Null wird, während der Ausdruck S _BA (p _f - p _o ) im wesentlichen konstant bleibt, da die Seite 25 des Kolbens immer noch einem Druck in der Nähe des Hochdrucks p _f unterliegt.

Die erfindungsgemäße Turbomaschine ist außerdem in der Lage, den Anschlag beim Hochlaufen zu entlasten, sofern ein Hochdruckkreis 24 zur Verfügung steht. Wenn dagegen der Kreis, an den der Kompressor angeschlossen ist, nicht vor vorneherein unter Druck steht, dann genügt es, eine Hilfs-Hochdruckkapazität mit einem ausreichenden Volumen von Hochdruckfluid bereitzustellen, um das Anlaufen zu bewirken.

Die Leitung 23 kann mit einem Regelventil 28 für die Drucksteuerung abhängig von der Messung der axialen Schiebekräfte versehen sein, so daß es möglich ist, den Druck in der Zwischenkavität 22 zu verändern.

Außerdem kann ein Bypass 29 mit einem Ventil oder einer Steuerklappe 30 zwischen Ansaug- und Auslassöffnung vorgesehen sien, die in einem Punkt 31 vor dem Sperrventil 26 in die Hochdruckleitung mündet und es ermöglicht, auf das Pumpen in den Übergangssequenzen beim Anlaufen oder Auslaufen zu verzichten.

Claims (4)

1. Turbomaschine, mit einem Rotor, auf dessen Welle mindestens ein Turborad sitzt, mit einem den Rotor umgebenden Stator, dessen niederdruckseitiges Ende und dessen hochdruckseitiges Ende je eine Öffnung aufweisen, wobei ein erstes Ende der Welle im Stator sitzt und einem der beiden Drücke unterliegt, während das zweite Ende über eine Abdichtung aus dem Stator herausgeführt ist, und mit einem Kolben zur axialen Äquilibrierung, der sich im Statorinneren auf der Welle befindet und dessen beide Seiten unterschiedlichen Drücken ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (16) stufenförmig mit zwei unterschiedlichen Durchmessern (⌀ _A , ⌀ _B ) ausgebildet ist, daß Dichtungsvorrichtungen (20, 21) in Höhe jedes der Kolbendurchmesser zwischen Kolben und Stator angebracht sind, daß eine Zwischenkavität (22) im Stator zwischen den beiden Dichtungsvorrichtungen vorhanden ist, daß eine Leitung (23) die Zwischenkavität mit einem Druckspeicher (24) verbindet, die dem Hochdruck der Maschine unterliegt, und daß ein Sperrventil (26) in einer Verbindung zwischen dem Druckspeicher (24) und der Öffnung (14) des entsprechenden Statorendes sitzt.

2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckspeicher (24) von einem Kreis gebildet wird, an den die Statoröffnung (14) des hochdruckseitigen Endes angeschlossen ist, und daß die Leitung (23), die die Zwischenkavität (22) mit dem Druckspeicher (24) verbindet, an diesen Speicher jenseits des Sperrventils (26) angeschlossen ist, während die hochdruckseitige Öffnung (14) diesseits dieses Ventils liegt.

3. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (23), die die Zwischenkavität mit dem Druckspeicher (24) verbindet, ein Druckregelventil (28) enthält.

4. Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bypass-Leitung (29) mit einer Steuerklappe (30) die niederdruckseitige Öffnung (23) mit der hochdruckseitigen Öffnung (14) vor dem Sperrventil (26) verbindet.