DE9421949U1

DE9421949U1 - Turbocompressors for gases

Info

Publication number: DE9421949U1
Application number: DE9421949U
Authority: DE
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2004-05-28

Description

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Mannesmann AktiengesellschaftMannesmann Aktiengesellschaft

Mannesmannufer 2 31 133Mannesmannufer 2 31 133

40213 Düsseldorf40213 Dusseldorf

Turboverdichter für GaseTurbo compressors for gases

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter für Gase gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a turbo compressor for gases according to the generic term of the main claim.

Bei Turboverdichtern beispielsweise mit Radial-Laufrädern tritt wegen der Druckdifferenz zwischen der Saug- und der Druckseite des Rotors ein Axialschub auf. Im günstigsten Fall kann dieser Axialschub von geeigneten Axialschublagern aufgenommen werden. Solche Lager sind zwar in zahlreichen Ausführungsformen bekannt, deren Belastungsfä'higkeit ist jedoch begrenzt. Insbesondere bei hohen Drehzahlen und großen Druckdifferenzen können die Lager, speziell bei Verwendung von Magnetlagern, die Axialschübe nur teilweise aufnehmen.In turbo compressors with radial impellers, for example, an axial thrust occurs due to the pressure difference between the suction and pressure sides of the rotor. In the best case, this axial thrust can be absorbed by suitable axial thrust bearings. Although such bearings are known in numerous designs, their load-bearing capacity is limited. In particular at high speeds and large pressure differences, the bearings, especially when using magnetic bearings, can only partially absorb the axial thrust.

^?Bei der aus DE·'37 00 153 Al bekannten Anordnung wird die Druckdifferenz an der Druckseite durch einen Ausgleichskolben mit einer Labyrinthdichtung abgebaut. Dies bedingt jedoch große Leckverluste, insbesondere bei Verdichtern mit großem Druckgefälle und kleiner Fördermenge. Zudem kann bei höheren Gasdichten eine Anregung zur Rotorinstabilität von dem Ausgleichskolben ausgehen. ^? In the arrangement known from DE '37 00 153 A1, the pressure difference on the pressure side is reduced by a compensating piston with a labyrinth seal. However, this causes large leakage losses, particularly in compressors with a large pressure drop and small delivery rate. In addition, at higher gas densities, the compensating piston can stimulate rotor instability.

Eine andere Lösung ist aus der EP O 361 844 Al bekannt. Bei diesem Turboverdichter wird die Gegenkraft zum Ausgleich des Axialschubes durch paarweise an der Saug- und Druckseite angeordnete gasgeschmierte Gleitringdichtungen erzeugt, wobei die Primä'rdichtung auf der Druckseite einen größeren Durchmesser aufweist als die Primärdichtung auf der Saugseite. Zwischen der Primär- und der Sekundärdichtung muß ein bestimmter Zwischendruck eingehalten werden, damit die gewünschte Gegenkraft zum Axialschub erzeugt wird. Die Einhaltung dieses Zwischendruckes erfordert einen nicht unerheblichen Regelaufwand und es müssen Verbindungsleitungen von den jeweiligen Kammern der Gleitringdichtung zu den Gasreservoirbereichen angeordnet werden. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Turboverdichter für Gase anzugeben, bei dem in konstruktiv einfacher und kostengünstiger Weise und ohne Regelungsaufwand der gewünschte Ausgleich des Axialschubes erreicht wird.Another solution is known from EP 0 361 844 A1. In this turbo compressor, the counterforce to compensate for the axial thrust is generated by gas-lubricated mechanical seals arranged in pairs on the suction and pressure sides, whereby the primary seal on the pressure side has a larger diameter than the primary seal on the suction side. A certain intermediate pressure must be maintained between the primary and secondary seals so that the desired counterforce to the axial thrust is generated. Maintaining this intermediate pressure requires a considerable amount of control effort and connecting lines must be arranged from the respective chambers of the mechanical seal to the gas reservoir areas. The object of the invention is to provide a turbo compressor for gases in which the desired compensation of the axial thrust is achieved in a structurally simple and cost-effective manner and without control effort.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik wird auf der Saug- und auf der Druckseite nur jeweils eine gasgeschmierte Gleitringdichtung angeordnet. Beide Dichtungen sind abmessungsmäßig gleich, so daß der Aufwand für die Ersatzteillagerhaltung niedrig ist und wenig Kosten verursacht. Damit der Ausgleich erreichbar ist, werden die Durchmesser D der Gleitringdichtungen größer als üblich gewählt. Üblich sind 40 bis 50 % des Laufraddurchmessers, wohingegen erfindungsgemäß ein Durchmesser von mindestens"'60 1vorzugsweise 70 % des Laufraddurchmessers vorgesehen ist. Beide Dichtungen dichten gegen den Umgebungsdruck ab, was bedeutet, daß die auf der Druckseite angeordnete Gleitringdichtung das gesamteThis object is achieved with the features of claim 1. Based on the known state of the art, only one gas-lubricated mechanical seal is arranged on the suction and pressure side. Both seals have the same dimensions, so that the effort for keeping spare parts in stock is low and causes little cost. In order to achieve this balance, the diameters D of the mechanical seals are chosen to be larger than usual. Usually 40 to 50 % of the impeller diameter is used, whereas according to the invention a diameter of at least"'60 1 preferably 70 % of the impeller diameter is provided. Both seals seal against the ambient pressure, which means that the mechanical seal arranged on the pressure side seals the entire

Druckgefälle abbauen muß. Da die Gleitringdichtungen inzwischen aber einen hohen technischen Standard erreicht haben, ist es möglich, trotz dieser hohen Belastung Turboverdichter bis zur 200 bar sicher abzudichten.Pressure gradients must be reduced. Since mechanical seals have now reached a high technical standard, it is possible to safely seal turbo compressors up to 200 bar despite this high load.

Der Vorteil der erfindungsgemä'ßen Anordnung ist darin zu sehen, daß durch den Wegfall des Ausgleichskolbens der Turboverdichter in Längsrichtung kleiner gebaut werden kann bzw. unter Umständen bei gleichem Lagerabstand ein weiteres Laufrad angeordnet werden kann. Außerdem entfällt das bekannte Problem einer Anregung zur Instabilität bei Anordnung eines Ausgleichskolbens.The advantage of the arrangement according to the invention is that by eliminating the balancing piston, the turbo compressor can be made smaller in the longitudinal direction or, under certain circumstances, an additional impeller can be arranged with the same bearing distance. In addition, the known problem of instability being stimulated when a balancing piston is arranged is eliminated.

Aus Fertigungs- und Kostengründen sind die Durchmesser der Standard-Gleitringdichtungen abgestuft, so daß unter Umständen für eine bestimmte Druckstufe ein passender Gleitdichtring nicht vorhanden ist. Eine Sonderanfertigung für die gewählte Druckstufe bietet sich in den meisten Fällen aus Kostengründen nicht an. Die sich wegen Nichtanpassung ergebende Differenz zwischen Axialschub und erzeugter Gegenkraft wird erfindungsgemäß dadurch ausgeglichen, daß man den Durchmesser D der im Laufradbereich angeordneten Labyrinthdichtung entsprechend wählt. Wird der Durchmesser größer vorgegeben, ergibt sich ein größerer Axialschub und umgekehrt.For manufacturing and cost reasons, the diameters of the standard mechanical seals are graded, so that under certain circumstances a suitable mechanical seal ring is not available for a certain pressure level. In most cases, a custom-made product for the selected pressure level is not an option for cost reasons. The difference between the axial thrust and the counterforce generated due to a lack of adjustment is compensated according to the invention by selecting the diameter D of the labyrinth seal arranged in the impeller area accordingly. If the diameter is specified to be larger, a larger axial thrust results, and vice versa.

In der Zeichnung wird anhand einer,skizzenhaften Darstellung die erfindungsgemäße Anordnung näher erläutert.The arrangement according to the invention is explained in more detail in the drawing using a sketchy representation.

Die einzige Figur zeigt in einem halbseitigen Längsschnitt skizzenhaft und in einem Ausschnitt die wesentlichen Elemente eines erfindungsgemäßen Turboverdichters. In einem nicht dargestellten Gehäuse sind eine langgestreckte Rotorwelle 3 angeordnet, die mit beispielsweise fünf Laufrädern 4 bis 8 bestückt ist.The only figure shows a half-side longitudinal section, as a sketch and a detail of the essential elements of a turbo compressor according to the invention. In a housing (not shown) an elongated rotor shaft 3 is arranged, which is equipped with, for example, five impellers 4 to 8.

An den beiden Enden stützt sich die Rotorwelle 3 auf nicht näher dargestellte Lager 9,10 ab. Zwischen den Lagern und dem Laufrad ist erfindungsgemäß eine gasgeschmierte Gleitringdichtung 1, 2 sowohl auf der Saug- 13, wie auf der Druckseite 14 angeordnet. In bekannter Weise bestehen gasgeschmierte Gleitringdichtungen aus den zwei Hauptelementen, d.h. einem rotierenden Dichtring 11, 12, der üblicherweise über eine Wellenbuchse (hier nicht dargestellt) mit der Rotorwelle 3 verbunden ist, und einem Starter-Dichtring 19,20, der zwar axial verschiebbar, aber ansonsten fest im Gehäuse angeordnet ist. Herrührend von der Druckdifferenz zwischen der Druckseite 14, und der Saugseite 13 wird ein Axialschub in Richtung Saugseite 13 erzeugt, hier gekennzeichnet durch einen geschlossenen Pfeil 15. Da die Gleitringdichtung 1 auf der Druckseite 14 mit dem vollen Gasdruck und die Gleitringdichtung 2 auf der Saugseite 13 mit dem Saugdruck beaufschlagt wird, entsteht eine Reaktionskraft, hier gekennzeichnet durch die Pfeile 21, 22, die als Differenz dem Axialschub 15 entgegengerichtet ist. Diese Reaktionskraft ist hier mit einem gestrichelt gezeichneten Pfeil 16 gekennzeichnet. Im Idealfall sind beide Kräfte 15, 16 gleich groß, so daß die Rotorwelle 3 frei von Längskräften sich drehen kann und damit die Lager 9, 10 nicht belastet werden. Damit die entsprechende Gegenkraft 16 überhaupt erzeugt werden kann, entspricht der wirksame Dichtdurchmesser D_n der Gleitringdichtung 1, 2 annähernd dem Dichtdurchmesser D, des Deckscheibenlabyrinths 18 des jeweiligen Laufrades 17. Beide Gleitringdichtungen 1, 2 sind abmessungsmäßig gleich, so daß der Aufwand für die Ersatzteillagerhaltung niedrig gehalten werden kann.The rotor shaft 3 is supported at both ends on bearings 9, 10 (not shown in detail). According to the invention, a gas-lubricated mechanical seal 1, 2 is arranged between the bearings and the impeller on both the suction side 13 and the pressure side 14. In a known manner, gas-lubricated mechanical seals consist of two main elements, ie a rotating sealing ring 11, 12, which is usually connected to the rotor shaft 3 via a shaft bushing (not shown here), and a starter sealing ring 19, 20, which is axially displaceable but otherwise fixed in the housing. Due to the pressure difference between the pressure side 14 and the suction side 13, an axial thrust is generated in the direction of the suction side 13, here indicated by a closed arrow 15. Since the mechanical seal 1 on the pressure side 14 is subjected to the full gas pressure and the mechanical seal 2 on the suction side 13 is subjected to the suction pressure, a reaction force is generated, here indicated by the arrows 21, 22, which is the difference in the opposite direction to the axial thrust 15. This reaction force is indicated here by a dashed arrow 16. Ideally, both forces 15, 16 are the same size, so that the rotor shaft 3 can rotate free of longitudinal forces and the bearings 9, 10 are therefore not loaded. In order for the corresponding counterforce 16 to be generated at all, the effective sealing diameter D _n of the mechanical seal 1, 2 corresponds approximately to the sealing diameter D 1 of the cover disk labyrinth 18 of the respective impeller 17. Both mechanical seals 1, 2 are dimensionally identical so that the cost of keeping spare parts in stock can be kept low.

Falls aus konstruktiven oder Anpassungsgründen ein vollkommener Ausgleich nicht erreichbar ist und eine Differenz zwischen Axialschub und Gegenkraft bestehen bleibt, unabhängig davon, welche Kraft überwiegt, ist erfindungsgemäß eine Anpassung dadurch möglich, daß durch die Wahl des Durchmessers D. der im Laufradbereich angeordneten Labyrinthdichtung 17 (hier nur für das linke Laufrad 8 dargestellt) ein größerer oder kleinerer Axialschub erzeugbar ist.If, for design or adjustment reasons, a complete balance cannot be achieved and a difference between axial thrust and counterforce remains, regardless of which force predominates, an adjustment is possible according to the invention by selecting the diameter D of the labyrinth seal 17 arranged in the impeller area (shown here only for the left impeller 8) to generate a larger or smaller axial thrust.

Claims

Protection claims

1. Turbo compressor for gases, which has a housing with a suction-side inlet and a pressure-side outlet and is provided with a shaft and at least one impeller attached to the shaft and two bearings supporting the shaft and a gas-lubricated mechanical seal system arranged on the suction and pressure side between the bearing and the impeller, having at least one rotor and one stator sealing ring and a labyrinth seal arranged at the end between the rotating and non-rotating part of the impeller, characterized in that

that the mechanical seal system has only one mechanical seal (1, 2) on the suction side (13) and the pressure side (14) and both mechanical seals (1, 2) have the same dimensions and the largest effective diameter (D _n ) of the mechanical seal (1, 2) is at least 60% of the impeller diameter (4-8, 17) and both seals (1, 2) seal against the ambient pressure.

2. Turbo compressor according to claim 1,
characterized,

that the largest effective diameter (D _n ) of the mechanical seal (1, 2) is 70% of the impeller diameter (4-8, 17).

3 . Turbo compressor according to claims 1 and 2, characterized in

that any difference between the axial thrust (15) originating from the impeller (4-8, 17) and the counterforce (16) generated by the mechanical seal (1, 2) can be compensated for by selecting the diameter (D.) of the labyrinth seal (18) arranged in the impeller area.

4. Turbo compressor according to one of the preceding claims 1 to 3,

characterized,

that the effective diameter (D^) of the mechanical seal (1,

2) is approximately equal to the sealing diameter (D. ) of the cover disk labyrinth (18).