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Einrichtung zum Abdichten der Wellen von Turbomaschinen von Wärmekraftanlagen,
in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel im wesentlichen einen geschlossenen Kreislauf
unter überdruck beschreibt Die Erfindung .betrifft eine Einrichtung zum A,bdicliteii
der Wellen von Turbomaschinen von Wärmekraftanlagen, in welchen ein gas färmiges
Arbeitsimitte1 im wesentlichen einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt,
wobei .das, durch äußere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel unter äußerer Leiistungs&b#,-abe
in mindestens einer Turbine expandiert und hierauf in mindestens einem Turboverdichter
wieder auf höheren Druck gebracht wird.
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In Anlagen dieser Art ist es besonders wichtig, daß an den Stellen,
wo .die Wellen der Kreiselmaschinen nach außen .abzudichten sind, die Abdichtung
eine möglichst volIk0mm.ene ist. Wenn .dies nicht der F..11 ist, können die StopfbiichsenverIuste
recht nachteilig werden, @da der Überdruck an allen Stellen solcher geschlossenen
Kreisläufe wesentlich über dem Atmosphärendruck liegt. So kann er seilbst an der
Stelle des Kreislaufes, wo der tiefste Druck herrscht, noch io atü betragen, während
an der Stelle höchsten Druckes 30 bis .lo atü vorhanden sein können. Dagegen. beträgt
bekanntlich bei Gasturbinen mit offenem KreisIaaf der höchiste vorkommende Drucli"meisten@s
nur etwa 3 bis q. atü und ,d:r tiefste vorkommende Druck -etwa Atmosphärendruck.
BeiAnlagen mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsmittels müssen Sto@pfbüchsenverluste
auch aus dem Grunde tunlichst vernnioden werden, weil das aus .dem Kreislauf .entweichende
Gas 'wieder ersetzt werden muß, wobei dann das Ersatzgas mindestens auf den Druck
zu verdichten ist, der an der Stelle tiefsten Druckes des Kreislaufes herrscht.
Es ist deshalb verhältnismäßig viel Leistung .aufzuwenden, um das EYsatzarbeitsmittel,
welches
vorzugsweise der Atmosphäre entnommene Luft- sein wird, wieder auf den Druck zti
bringen, der an dessen Einführungsstelle in :den Kreislauf herrscht. Dieser zusätzliche
Leistungsaufwand beeinträchtigt aber den Wirkungsgrad der Gesamtanlage, weshalb
eben ein Entweichen von Arbeit.stnittel aus .de;ni Kreislauf .durch die Stopfbüchsen
tunlichst verhindert werden muß.
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Die erwähnten, im Kreislauf des Arbeitsmittels vorkommentden hohen
Drücke und die vor allein au.f,d,er Hochdruckseite der Turbine vorkommenden hohen
Temperaturen (bis zu 65o'' C Eintrittstemperatur .des Treibriitteils) erschweren
zusammen mit der weiteren Bedingung, d:aß Fremdstoffe, die als Sperrmittel dienen,
nicht durch die Stopfbüchse hindurch in ,den geschlossenen Kreislauf gelangen dürfen,
außerord@entliah die Lösung der in Betracht kommenden Aufgabe.
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Auf alle Fälle lassen sich diese Aufgaben nicht mit Hilfe von bekannten
Einrichtungen zur S.ichei#ung ölgescliinierter Lager lösen, bei denen Druckluft
verwendet wird, um den Eintritt von ZVass?r und Austritt von Öl zu verhindern und
ein nicht in Abhängigkeit von der Hauptmaschine beeinflußter Motor einen besonderen
Verdichter zum Fördern der Drucl;liuft und eine besondere Pumpe zum Fördern des
Lagerschmieröls antreibt. In solchen Einrichtungen arbeiten diese Hilfsmaschinen
bei einer Änderung dies Druckes in der Hauptmaschine Unter denselben Bedingungen
weiter, so :daß, wenn der Druck in der Hauptmaschine z. B. sinkt, nicht nur zu viel
Sperrluft in .die Maschine dringt, sondern auch ein Gemisch von Sperrluft und Ö1
in dieselbe gelangt. Dies ist jedoch unannehmbar, wenn das Arbeitsmiittel der Hauptinaschine
einen geschlossenen Kreislauf beschreibt. Dagegen lassen sieh .die erwähnten Forderungen
erfüllen, wenn gemäß vorliegender Erfindung wenigstens in die Stopfbuchsen der Turbine
als Sperrgas Gas zttgeführt wird, welches denn Kreishanf =des Arbeitsmittels an
einer Stelle entnommen wird, an der ein höherer Druck herrscht als im Inneren der
betreffenden Stopfbüchse, und wenn ferner jeder öderen Stopfbiicli.seii gegen außen
ein durch eine Sperrflüssigkeit abgedichteter Lagerrauin zugeordnet wird, der an
einen Behälter zum Trennen von Sperrgas uni, Sperrflüssigkeit angeschlossen ist.
Dabei steht dann der Gasraatm dieses Behälters mit Eigier Stelle des Kreislaufes
in Verbindung: an we'-cher ein niedrigerer Druck als an der Anschlußstel:le der
diesem Behälter zugeor.dneteii Stopfbüchse herrscht, während der F#lü,ssigkeitsraum
.des Behälters an eine Pumpe anigeschlossen i,4, welche die Sperrflüssi@glceit ztiin
| Abdichten ;des der betreffenden Stopfbüchse |
| zugeordneten Lagerrammes fördert. Bei einer |
| solchen Einrichtung besteht Sicherheit dafür, |
| daß stich der Sperrgasdruck in den Stopf- |
| büchsen und Über die Behälter auch in dtu |
| Lagerräumen von selbst, d. h. ohne daß irgend- |
| Teile von Hand oder selbsttätig zu |
| verstellen sind, dem jeweiligen Druckpegel im |
| Arbeitsmittelkr.eisl,axif sofort anpaßt. |
| Folglich bleibt sich das Druckverhältnis an |
| beiden Enden der Stopfbüchsen bei allen Be- |
| lastungen .der Anlage praktisch immer gleich, |
| indem sich nur die Absolutwerte der betref- |
| fenden Drücke ändern, nicht aber auch deren |
| Verhältnis zueinander. Selbst bei einer gro- |
| f)en augenblicklichen Lastabnaltnie wird ,aller |
| keine Sperrflüssigkeit z. B. aus einen Lager- |
| rauni durch Stopfbüchsen hindurch in (len |
| Kreislauf,desArbeitsmittel s getrieben werdeti. |
| Auf der beiliegenden Zeichnung ist 1>ei- |
| spiel,sweise eine Ausführungsform des Erfin- |
| dunigsgegtnfstande.s veranschaulicht und zwar |
| zeigt |
| Fig. i in vereinfachter Darstellungsweise |
| eine Wärmekraftänlage, in welcher Luft |
| dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter |
| Überdruck beschreibt und an welcher eine Ein- |
| richtun@g zäum Abdichten der Welle der Tur- |
| bine nach vorliegender Erfindung vorgesehen |
| ist. |
| Fi,g. 2 zeigt Iinzellreiten der Fig. i in grö- |
| ßerein Maßstab. |
| Die einen geschlossenen Kreislauf unter |
| Überdruck beschreibende Luft -%virc1 in einem |
| Erhitzer i, dem =durch eine Leitung 2 Brenn- |
| stoff und eine Leitung 3 Verbrennungsluft zu- |
| geführt wird, erhitzt. Die so erhitzte Luft |
| gelangt in eine mehrstufige Luftturbine 5 |
| axialer Bauart, wo sie Unter Leistungsabgabe |
| an einen Generator 6 und an einen z. B. als |
| mehrstufiges AYial,gebläse ; ausgebildeten |
| Kreiselverdichter expa ediert. Die aus der |
| Turbine 5 strömende Luft gelangt durch eine |
| Leitung $ in einen als Gegenstromapparat |
| ausgebildeten ZVärmea.ustauscher 9, wo sie |
| ZVärine an den unter höherem Druck stehen- |
| den Teildes Arbeitsmittelstromes abgibt. wel- |
| cher durch eine Leitung io aus dem '11ia1- |
| verdichter 7 in den `Värmeaustauscher 9 und |
| aus diesem durch eine Leitung i i in den Fr- |
| hitz_er i gelangt. |
| 12 bezeichnet die a.uf der Hochdruckseite |
| und 13 die auf der Niederdruckseite der Luft- |
| turbine 5 abzudichtende Stelle der Turbinen- |
| welle. Ferner bezeichnet 14 die auf der SauZ- |
| seit-e Und 15 -die auf der Druckseite des Ver- |
| clichters 7 abzti"diclitende Stelle der Verdich- |
| ter«-elle. Den für (-las Abdichten der Tur- |
| binetiwe;l'.-c an den Stellen 12 und 13- vorge- |
| suhenen Stopfbüchsen 16 bzw. 17 (s. insbeson- |
| dere heg. 2) wird aus dein geschlossenen Ar- |
beitsmittelkreislauf selbst als Sperrmittel @dienende Luft zugeführt,
und zwar je von einer Stelle dieses Kreislaufes, an welcher ,ein höherer Druck herrscht
als im Innern der Stop fbüchse r6 bzw. '17. Zu diesem Zweck stellt eine Leitung
i8 eine Verbindung 7wischen einer Stufe hohen Druckes,des Verdichtors. 7 und :dem
Innern fder Stopfbüchse 16 und eine Leitung i9 eine Verbindung zwischen .einer Stufe
niedrigeren Druckes des Verdichters 7 und "dam Innern der Stopfbüchjsie 17 her.
Die @in letzterer nach auswärts entweichende Sperrluft :gelangt in einen Raum 21
(Fig. 2), während ,die in ,der Stopfbüchse 16-nach auswärts entweichende Sperrluft
m einen Raum 2o gelangt, der. nach außen ,durch .eine Flüssigkeitsstopfbüchse 22
albgedichtet wird. Dieser Stopfbüchse :22 fließt durch eine an eine Fl.üssigl<#eitspump,e
24 angeschlossene Leitung 23 S,perrflüss.igkeit zu;,ein Teil der von der Pumpe 24
,geförderten Sperrflüse,igkeit gelangt auch in ein der Stopfbüchse 22 benachbartes
Lager 25 für die Turbinenwelile. Die in der Stopfbüchse 22 nach einwärts abfließende
Sperrflüssigkeit gelangt in :den Raum 2o, von wo. sie zusammen mit der in denselben
,gelangenden Sperrluft durch eine Leitung 26 in ,einen Behälter 27 abfließt. In
letzterem trennt sich .die Sperrluft von der Sperrflüssigkeit; ,erstere strömt dann
durch eine Leitung 28 wieder in ,den Kreislauf des Arbeitsmittels der Wärmekraftanlage,
indem @diese Leitung 28 an ,einer Stelle im Innern des Verdichters 7 ausmündet,
an welcher ein niedrigerer Druck als an der Anzapfstelle der Sperrluft für die Stopfbüchse
16 herrscht. Der Flüssigkeitsraum des Behälters 27 ist dagegen durch eine Leitung
29 an die Pumpe 24 angeschlossen. Die in der Flüs:si,1zeitsstopflbüchs.e 22 und
im Lager 25 nach auswärts -abfließende Flüssigkeit ,gelangt in einen Raum 30 (Fig.
2), von wo sie .durch eine Leitung 31 in einen :durch Zwischenwände unterteilten
Sammelbehälter 32 abfließen kann.
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In .ähnlicher Weise ist der Stopfibüchsenraum 21 auf der Niederdruckseite
der Luftturbine 5 nach außen durch ,eine Flüs,sigkeitsstop,fbüchs,e 33 abgedichtet,
in ,di.e von ,einer Pumpe 35 durch,eine Leitung 34 Speirrflüs-sigkeit gepreßt wird.
Dabei ,gelangt ein Teil der von der Pumpe 35 geförderten Flüssigkeit auch noch in
ein der Stopifbüchis,e 33 benachbarteis Lager 36 für die Turbinenwelle. Die in der
Flüssieeitsstopfbüchse 33 nach einwärts .abfließende Sperrflüsei@gkeit gelangt in
den Raum 21, wo sie sich mit der aus der Stopfbüehsie 17 in diesen Raunz entweichenden
Sperrluft mischt. Die Mischung aus diesen beiden Mengen fließt aus dem Raum 2i durch
eine Leitung 37 in einen Behälter 38 ab, wo sich die Sperrluft von der Sperrfliissigkeit
wieder trennt. Erstere gelangt ,durch eine Leitung 39 wieder in -den Kreislauf des
Arbeitsmittels der Wärmekraftanla!ge, @inde:m diese Leitung 39 an einer Stelle im
Innern des Verdichters 7 ausmündet, @an welcher ein niedrigerer Druck als an ,der
Anzapfstelle der Sperrluft für ,die Stopfbüchse 17 herrscht. Der Fl.üsisigkeitsraum
,des Behälters 38 ist durch eine Leitung 4o an die Pumpe 35 angeschlossen. Die .in
der Flüssigkeitsstopfbüchse 33 und ,im Lager 36 nach auswärts .abfließende Flüssigkeit
gelangt in einen Raum 41 (Fig. 2), von wo sie ,durch eine Leitung 42 in ein Abteil
,des- Sammelbehälters 32, abfließen kann.
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Der Stopfbüchse 45 zum Abdichten der Verdichterwelle an ,der Stelle
15 wird im Ausführungsbeispiel lediglich Sperrflüssigkeit zugeführt, die von einer
Pumpe 43 durch .eine Leitung 44 in diese Stopfbüchis@e 45 .gedrückt wind. Diein
letzterer nach einwärts fließende Sperrflüssigkeit mischt sich mit der Luft, welche
längs des Wellenteils 15 aus demVerdich.ter 7 nach auswärts leckt, wobei ,das sich
dabei bildende Luft-Flü ssigkeits-Gemisch durch eine Leitung 46 in einen Behälter
47 abfließen kann. In letzterem erfolgt wieder eine Trennung der Luft von der Speirrflüssigkeit,
wobei erstere durch eine Leitung 48 in den Kreislauf des Arbeitsmittels der Wärmekraftanlage
zurückgelangt, während die im Behälter 47 sich ausscheidende Flüssigkeit durch eine
Leitung 49,der Pumpe 43 zufließen kann. Der in der Stopfbüchse 45 nach aus- ! wärts
abfließende Teil der Sperrflüssigkeit gelangt durch eine Leitung 5o in ein Abteil
des Sammelbehälters 32.
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Der Stapfbüchse 51 :auf der Saugseite des Verdichters 7 wird ebenfalls
nur von einer Pumpe 52 :durch eine Leitung 53 in ,dieselbe gedrückte Sperrflüssigkeit
zugeführt. Die in dieser Stopfbüchse.51 mit der längs des Well:enteil,s'14 entweichenden
Luft sich mischende Sperrflüssigkeit fließt durch eine Leitung 54 in einen Behälter
55 .ab, wo sich,die Luft von der Flüssigkeit trennt. Erstere wird durch eine Leitung
56 in den Verdichter 7 zurückgeführt, während die ausgeschiedene Sperrflüsisiigkeit
durch eine Leitung 57 der Pumpe 52 zufließen dann. Die in der Stopfbüchse
51
,nach auswärts entweichende Sperrflüssigkeit fließt durch eine Leitung
58 in ein Abteil des Sammelbehälters 32 ab.
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Um,die Behälter 27, 38, 47 und 55 gleichzeitig ,als Flüssigkeitskühler
verwenden zu können, sind in dieselben Kühlschlangen 27' bzw. 381, 471, 551 eingebaut,
die an eine gemeinsame Zufuhrl.eitung 59 für ein Kühlmittel angeschlossen sind.
6o bezeichnet Pumpen, welche :in den Sammelbehälter 32 abgeflo ,s.ene Sperrflüssigkeit
in -die Behälter 27,
0, 47, 5,5 zurüekför.dern. 61 ist eine
Hilfspumpe, durch dlie beim Anfahren der Anlage Sperrflüssigkeit in die verschiedenen
Stopfbüchsen gedrückt wird.
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Dadurch, d aß den Stopfbuchsen 16 und 17 der Turbine 5 Luft durch
die Leitung 18 bzw. io aus dein Kreislauf der WärmeI,:raftanhage selbst zugeführt
wird, stellt sich in diesen Stopfbüchsen ganz von selbst ein Sperrgasdruck ein,
;der jeweils proportional der aiwgenblicklichen Belastung der Anlage isst. Dadurch
lassen sich in einfacher Weise Verluste an Arbeitsmittel an den Stopfbüchsen der
Luftturbine 5 vermeiden. Dabei wird die Sperrluft für ;die Stopfbüchsen an einer
kalten Stelle des Kreislaufes abgezapft, so daß im Falle, .daß als Sperrflüssigkeit
01 verwendet wind, die Gewähr besteht, daß sich dieses nicht entzündet, wenn es
mit der Sperrln.ft in Berührung kommt. Da ferner an jeder Stopfbüchse der Kreiselniaschi.nen
noch eine Elüssigkeits:abdichtung vorgesehen ist, kann praktiscIi keine Luft aus
dem Luftkreislauf .der Wärine#hraftanlage ins Freie entweichen.
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Die beschriebene Abdichtungse-in.richtung bedingt auch nur geringe
Leistungsverluste, ii,a beim Durchströmen der Sperrluft durch die Stopfbüchsen nur
wenig Druck verlorengeht.
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Erforderlichenfalls können Drosselorgane vorgesehen werden, uni de
aus deni Verdichter den Stopfbuchsen zugeführte Sperrluftmenge einmalig so einstellen
zu können, daß durch die Stopfbüolisen nur :gerade die minderst benötigte Sperrluftmenge
strömt.
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Falls gewünscht, kann auch den Stopfbüchsen des Verdichters Sperrgas
aus denn Kreislauf der Wärmekraftanlage werden. Auch in :diesem Falle wird dann
das Sperrgas nach dem Durchströmen der betreffenden Stopfbüchsen in jenen Kreislauf
zurückgeführt.
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Das Schmieröl für die Traglager sämtlicher Turbomiaschinen kann auch
von einer su,paraten Ölpumpe geliefert werden, wobei der Ölkreislauf für rli.e Flitssigkeitsstopfbiichseii
und -die@raglagergetrennt ausgebildet ist.