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Einrichtung zur Abdichtung der Welle einer Turbomaschine durch Flüssigkeitssperrung
für Wärmekraftanlagen mit gasförmigem Arbeitsmittel Die Erfindung betrifft eine
Einrichtung zur Abdichtung der Welle einer Turbomaschine durch Flüssigkeitssperrung
für Wärmekraftanlagen, in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel einen Kreislauf
unter Überdruck beschreibt, wobei res durch Wärmezufuhr von außen erhitzt wird,
in mindestens einer Turbine expandiert und in mindestens einem Turboverdichter wieder
verdichtet wird.
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Bei bekannten Ausführungen solcher Abdichtungseinrichtungen durch
Flüssigkeitssperrung wird aus einem unter dem abzusperrenden Gasdruck stehenden
Vorratsbehälter Sperrflüssigkeit durch eine Pumpe angesaugt und auf einen etwas
höheren Druck als den abzusperrenden Gasdruck gebracht. An der Absperrstelle, an
welcher ein Übertritt des gasförmigen Arbeitsmittels nach einer Stelle tieferen
Druckes, in der Regel nach der Atmosphäre, zu verhindern ist, strömt nun ein Teil
der Sperrflüssigkeit in der Richtung gegen das abzusperrende Gas und wird sodann
dem unter diesem Gasdruck stehenden Vorratsbehälter wieder zugeleitet. Der restliche
Teil der Sperrflüssigkeit strömt gegen die Stelle niederen Druckes und muß dann
von diesem niederen Druck durch eine weitere Pumpe wieder in den unter den abzusperrenden
Gasdruck stehenden Vorratsbehälter zurückgefördert werden.
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Bei solchen Einrichtungen werden also mindestens zwei Pumpen benötigt,
von denen die eine den für die Flüssigkeitssperrung erforderlichen
Überdruck
gegen den abzusperrenden Gasdruck erzeugt, während die andere die Rückförderung
der niederdruckseiti.g an der Sperrs:tel.le abfließenden Sperrflüssigkeit zu besorgen
hat.
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Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird nun eine Vereinfachung
erreicht, :indem nur noch eine Pumpe für die Erfüllung beider Aufgaben erforderlich
ist. Die Einrichtung ist gekennzeichnet durch eine Pumpe, welche die zur Sperrung
dienende Flüssigkeit von Atmosphärendruck auf einen festen Druck fördert, welcher
etwas höher ist als der höchst vorkommende Druck des zu sperrenden Gases, und durch
ein Drosselorgan, durch welches der Druck der Sperrflüssigkeit bei jedem Gasdruck
selbsttätig auf einen Druck vermindert wird, der den Druck des zu sperrenden Gases
um einen vorgegebenen Betrag übersteigt.
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In der Zeichnung ist als Beispiel eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Einrichtung in vereinfachter Darstellung veranschaulicht. Es wird hierbei die Abdichtung
eines Wellenendes der Turbine der Wärmekraftanlage gezeigt.
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Von der Turbine der Wärmekraftanlage ist nur ein Teil i des Läufers
mit einem rechtsseitigen Wellenende 2 dargestellt. Nach Verlassen der Schaufelung
gelangt das Arbeitsmittel in einen Austrittsraum 3. Das Wellenende 2 ist in einem
Lager ¢ gelagert, welches gleichzeitig als Flüssigkeitssperrung zur Abdichtung eines
unter Druck stehenden Gasraumes 5 gegen außen dient. Zwischen dem Raume 5 und dem
Austrittsraum 3 der Turbine ist ein weiterer Raum 6 vorgesehen. Zwischen den Räumen
3 und 6 ist auf dem an den Turbinenläufer anschließenden Wellenteil eine Labyrinthdichtung
7 und zwischen den Räumen 6 und 5 eine Labyrinthdichtung 8 angeordnet. Durch eine
Leitung 9 wird dem Raume 6 kaltes Sperrgas zugeführt, welches dem Kreislauf der
Wärmekraftanlage an einer Stelle entnommen wird, an welcher das Arbeitsmittel einen
höheren Druck aufweist als im Austrittsraum 3 der Turbine. Das Sperrgas wird einer
mit der Leitung 9 in Verbindung stehenden Leitung io an einer Stelle ii zugeführt.
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In dem Raume 6 herrscht somit ein höherer Druck als, im Austrittsraum
3 der Turbine, so daß stets eine gewisse Menge kalten Sperrgases durch die Labyrinthdichtung
7 in Richtung gegen den Turbinenläufer i strömt und verhindert, daß heißes Arbeitsmittel
nach Verlassen der Turbine längs der Welle gegen das Lager 4 strömt.
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Der Raum 5 steht durch Leitungen 12 und 13 mit einem Behälter 14 in
Verbindung. Durch die Labyrinthdichtung 8 strömt nun ein Teil des Sperrgases aus
dem Raume 6 in den Raum 5. In diesem herrscht der gleiche Druck wie im Behälter
14. Durch ein Ventil 15 wird dafür gesorgt, daß der Druck im Behälter 14 stets etwas
kleiner ist als jener im Raume 6. Die obere Fläche eines mit dem Abschlußkörper
des Ventils 15 -verbundenen Tellers 16 steht unter der Wirkung des Druckes in der
Leitung io und damit auch unter jenem des Raumes 6 und ist durch einen Federbalg
18 abgedichtet. Der Ventilteller steht dagegen unter der Wirkung des Druckes im
Behälter 14. Eine vorgespannte Zugfeder 18 sorgt dafür, daß das Ventil stets offen
bleibt, wenn nicht der Druck in der Leitung io bzw. in dem Raume 6 den Druck im
Behälter 14 um einen gewissen Betrag übersteigt. Es kann dann Gas aus dem Behälter
14 durch eine Leitung i9 so lange ausströmen, bis ein gewisser vorgegebener Druckunterschied
zwischen den Räumen 6 und 5 erreicht ist und dabei stets eine gewisse Menge des
Sperrgases durch die Labyrinthdichtung 8 in der Richtung gegen das Lager 4 strömt,
wobei verhindert wird, daß vom Lager austretendes Öl in den Sperrgasraum 6 gelangen.
kann.
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Der Lagerstelle 4, welche nun gleichzeitig auch der Abdichtung der
Turbinenwelle durch Flüssigkeitssperrung dient, wird die Sperrflüssigkeit, d. h.
also das Schmieröl des Lagers, durch eine Leitung 2o zugeführt. Das Öl wird durch
eine Pumpe 21 aus einem unter Atmosphärendruck stehenden Vorratsbehälter 22 angesaugt
und auf einen festen Druck gefördert, welcher etwas höher ist als der höchst vorkommende
Druck des zu sperrentden Gases im Raume 5. Das geförderte Öl gelangt von der Pumpe
2i in eine Leitung 23.
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Ein in eine Leitung 24 eingebautes Überstr6mventil 25 sorgt für die
Aufrechterhaltung eines bestimmten Druckes in der Leitung 23. Diese letztere steht
nun mit der zu der Lagerstelle 4 führenden Leitung 2o über ein Drosselorgan 26 und
eine Leitung 27 in Verbindung.
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Das Drosselorgan26weist einen Drosselkolben 28 und einen mit diesem
verbundenen weiteren Kolben 29 auf. Der Raum unterhalb des Drosselkolbens 28 steht
durch eine Leitung 3o mit der Leitung 27 in Verbindung und der Raum oberhalb des
Kolbens 29 über eine Leitung 31 mit dem Behälter 14. Die untere Fläche des
Kolbens 28 steht somit unter dem Druck der der Lagerstelle 4 zugeleiteten Sperrflüssigkeit
und die obere Fläche des Kolbens 29 unter dem im Behälter 14 herrschenden Druck.
Eine weitere Belastung des Kolbens 29 durch eine Druckfeder 32 sorgt nun dafür,
daß der Drosselkolben 26 die Flüssigkeitszufuhr zur Leitung 27 erst unterbricht,
wenn der Druck in dieser Leitung den Druck im Behälter 14 und damit den Druck des
zu sperrenden Gases im Raume 5 um beispielsweise etwa 0,3 at überschreitet.
Dieser Betrag wird durch die Spannung der Feder 32 festgelegt. Der Druck der Sperrflüssigkeit
wird somit durch das Drosselorgan 26 bei jedem Gasdruck selbsttätig auf einen Druck
vermindert, der den Druck des zu sperrenden Gases um einen vorgegebenen Betrag übersteigt.
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Das von der Pumpe 2i geförderte Öl wird gleichzeitig auch noch
zur Belieferung eines Radiallagers 33 und Axiallagers 34 des Verdichters der Wärmekraftanlage
verwendet. Von dem Läufer des Verdichters ist nur ein Teil der mit 35 bezeichneten
Welle mit drei aufgesetzten Laufrädern 36 gezeigt. Das Arbeitsmittel tritt aus einem
Einlaßraum 37, in welchem ein Überdruck gegen die Atmosphäre herrscht, in die erste
Stufe des Verdichters.
Da das gezeigte Wellenende des Verdichters
nicht mit einer weiteren Maschine gekuppelt ist, umschließt das Lagergehäuse das
Wellenende vollkommen, so daß durch die Lagerstelle keine Flüssigkeitsabsperrung
nach der Atmosphäre hin zu erfolgen hat. Das Lager wird von einem Raum 38 umgeben,
welcher wie der turbinenseitige Raum 5 mit der Leitung 12 in Verbindung steht und
in welchem also ebenfalls der Druck des , Behälters 14 herrscht. Zwei Labyrinthdichtungen
39 und 40 trennen einen die Welle 35 umgebenden Raum 41 einerseits von dem Raum
3'8 und andererseits vom Einlaßraum 37 des Verdichters. Dem Raum 41 wird in gleicher
Weise wie dem Raum 6 Sperrgas durch die Leistung io zugeführt.
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Die Lagerstellen 33, 34 stehen ständig unter dem Gasdruck des Behälters
14. Sie werden durch eine Leitung 42 von der Leitung 27 her mit 01 beliefert.
Durch das in seiner Wirkung schon beschriebene Drosselorgan 26 wird nun erreicht,
daß auch die Dagerstellen 33, 34 reit Öl von etwas höherem Druck als der Druck des
sie umgebenden Gases beliefert werden, so daß ständig ein hinreichender Durchfluß
von Schmiermittel durch die Lagerstellen gewährleistet ist.
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Das von den Lagerstellen 33, 34 abfließende Öl gelangt zusammen mit
jenem, das linksseitig an der Lagerstelle 4 austritt, durch die Leitungen 12 und
13 in den Behälter 14. Das rechts an der Lagerstelle 4 gegen die Seite der Atmosphäre
abfließende Öl wird dagegen durch eine Leitung 43 in den Vorratsbehälter 22 zurückgeleitet.
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Ein im Behälter 14 eingebautes Ventil 44 regelt den Abfluß des Öles
aus diesem Behälter in eine nach dem Vorratsbehälter 22 führende Leitung 45. Das
Ventil 44 wird durch Drucköl betätigt, welches aus der Leitung 23 durch eine mit
einer Blende 46 versehene Leitung 47 entnommen wird und auf einen durch eine Feder
48 belasteten Kolben 49 einwirkt. Ein Schwimmer 5o schließt eine Abflußstelle 51
für das Steueröl, wenn der Flüssigkeitsspiegel im Behälter 14 eine gewisse Höhe
erreicht. Dabei steigt der Druck des Steueröles unter dem Kolben 49, wobei sich
der Abschlußkörper des Vei tils 44 entgegen der Wirkung der Feder 48 anhebt und
den Abfluß von Öl in die Leitu,Rg 45. freigibt.
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Die beschriebene Einrichtung bewirkt somit, daß die der Flüssigkeitssperrung
dienende Lagerstelle4 sowie die weiteren unter Druck stehenden Lagerstellen 33,
34 stets mit Sperr- bzw. Schmierflüssigkeit beliefert werden, welche- den erforderlichen
Druck aufweist, der den Druck des zu sperrenden Gases um einen vorgegebenen Betrag
übersteigt. Statt durch die Feder 32, wie bei der gezeigten Ausführungsform der
Einrichtung, kann das Drosselorgan 26 beispielsweise auch durch ein Gewicht belastet
werden, durch dessen Größe der Betrag festgelegt ist, um welchen der Druck der Sperrflüssigkeit
den Druck des zu sperrenden Gases zu übersteigen hat.
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Die richtige Arbeitsweise der Einrichtung tritt auch dann ein, wenn
zum Zweck der Leistungsregelung der Druckpegel in der Wärmekraftanlage geändert
wird. Da die Leitung io an der Stelle i i mit einer bestimmten Stelle des Kreislaufes
in Verbindung steht, ändert sich auch dieser Druck gleichzeitig mit dem Druckpegel
des Kreislaufes. Falls der Druck steigt, wird das Ventil 15 geschlossen, und infolge
Ürberströmens von Sperrgas durch die Labyrinthdichtung 8 erhöht sich dann auch entsprechend
der Druck im Raum 5 und im Behälter 14. Sinkt dagegen der Druck des Sperrgases,
so ist durch das Ventil 15 Vorsorge getragen, daß nicht aus dem Raum 5 Gas in umgekehrter
Richtung durch das Labyrinth 8 strömt; wobei Gefahr bestünde, daß Öl mitgerissen
würde und durch die Labyrinthdichtung 7 zu dem heißen Turbinenläufer gelangen könnte.
Ein Sinken des Sperrgasdruckes bewirkt nämlich, daß das Ventil 15 sich anhebt und
Gas in einer solchen Menge aus dem Behälter 14 durch die Leitung i9 entweichen läßt,
daß der Druck in diesem Behälter stets kleiner bleibt als der Sperrgasdruck.