EP0651162B1 - Compressor - Google Patents

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Publication number
EP0651162B1
EP0651162B1 EP94115825A EP94115825A EP0651162B1 EP 0651162 B1 EP0651162 B1 EP 0651162B1 EP 94115825 A EP94115825 A EP 94115825A EP 94115825 A EP94115825 A EP 94115825A EP 0651162 B1 EP0651162 B1 EP 0651162B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sealing
compressor
inlet
air
rotor shaft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP94115825A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0651162A1 (en
Inventor
Eduard Brühwiler
Paul Marlow
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Switzerland GmbH
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Publication of EP0651162A1 publication Critical patent/EP0651162A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0651162B1 publication Critical patent/EP0651162B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/06—Fluid supply conduits to nozzles or the like
    • F01D9/065—Fluid supply or removal conduits traversing the working fluid flow, e.g. for lubrication-, cooling-, or sealing fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/10—Shaft sealings
    • F04D29/102—Shaft sealings especially adapted for elastic fluid pumps

Definitions

  • Such a compressor is e.g. from the article by J. P. Smed and H. Saeki, A NEW DESIGN FOR A COMPRESSOR INLET CASING ATMOSPHERIC VENT SYSTEM, ASME Cogen-Turbo, IGTI-Vol. 7, p.535-537 (ASME 1992).
  • a possible type of seal is the seal with pressurized air, such as e.g. in US-A-3,031,132 for the gas turbine of an aircraft.
  • the rotor shaft is ring-shaped at the point to be sealed by a sealing chamber accommodated in a corresponding sealing housing.
  • the pressurized sealing air can escape from the sealing chamber into the annular gap between the sealing housing and the rotor shaft and thus limit or completely prevent the entry of undesired media into the annular gap.
  • the compressed air is usually drawn off from one or optionally several pressure stages of the compressor and fed into the sealing chamber via a suitable valve circuit and control.
  • Such a compressed air seal can be arranged at various points on the compressor: in the cited US patent, the seal housing, which can also take on cooling tasks at the same time, is arranged next to the high-pressure shaft bearing of the compressor.
  • a prior art is described in the publication mentioned at the beginning (See FIGS. 1 and 2 there), in which the seal is arranged on the input-side axle bearing, where the rotor shaft goes out and the compressor housing merges into the inlet housing. The main aim of this is to prevent unfiltered and possibly oil-contaminated outside air from being pressed via the bearing into the vacuum part of the compressor on the inlet side and mixing with the compressor air.
  • this known solution has one problem in particular: the cooling air on the inlet side is usually not subjected to special filtering so that here too (via the sealing air) impurities can be introduced into the compressor duct.
  • the object is achieved in a compressor of the type mentioned in that (e) the sealing chamber is connected to the entry space via at least one sealing air duct.
  • the essence of the invention consists in tapping the sealing air behind the inlet filter and in front of the inlet guide vanes from the inlet space, the removal preferably taking place in front of the intake duct. Filtered air is available there, which has approximately atmospheric pressure and can therefore perform the desired sealing tasks.
  • the ratio between the quantities of sealing air and ambient air flowing through the annular gap can be optimized in a simple manner. Likewise, an optimization between partial load (adjustable inlet guide vanes) and full load is possible.
  • FIG. 1 the suction side of a preferred embodiment of a compressor according to the invention is shown in longitudinal section.
  • the compressor 1 comprises a rotor shaft 10 which can be rotated about a compressor axis 18.
  • the rotor shaft 10 is guided outwards on the right side of the figure and is equipped on the left side with a plurality of rotor blades 7 fastened to its periphery, of which only rotor blades of the first are shown here Level are shown.
  • the rotor shaft 10 is surrounded in the region of the rotor blades 7 by a compressor housing 2 which has guide vanes (not shown) and forms the actual compressor together with the rotor.
  • the rotor shaft 10 is enclosed by an inlet housing 9 on the inlet side of the compressor 1.
  • the inlet housing 9 consists of an outer shell 3 and an inner shell 16, between which an inlet space 4 for the air to be compressed is formed.
  • the entry space 4 is connected on one side to the surroundings via an air inlet 5 provided with an inlet filter 6.
  • it merges into an intake duct 27 equipped with inlet guide vanes 8.
  • the outer shell 3 of the inlet housing 9 adjoins the compressor housing 2.
  • the inlet guide vanes 8 themselves are adjustable here and rotatably supported in the seal housing 11 by means of the blade bearings 26a in the compressor housing 2 and 26b (FIG. 2).
  • a seal housing is provided on the end of the inner shell 16 facing the rotor blades 7 11 provided.
  • the seal housing 11 lies at a small distance on the circumference of the rotor shaft 10 and contains a sealing air chamber 12, from which sealing air can escape into the annular gap 28 (FIG. 2) formed between the sealing housing 11 and the rotor shaft 10.
  • the rotor shaft 10 is supported on the input side by means of a shaft bearing 17 attached to the inner wall of a bearing housing 25.
  • sealing air flowing out of the sealing air chamber 12 into the annular gap 28 is drawn off from the inlet space 4.
  • one or more sealing air channels 15 are provided, which e.g. run in the form of bores in the interior of the inner shell 16 and connect the sealing air chamber 12 to the inlet space 4 via a respective sealing air inlet 13.
  • Each sealing air duct 15 can advantageously have a second inlet, which is normally closed with a closure plate 14, but in special cases allows the sealing air to be obtained from a separate, connected compressed air system. Tapping the sealing air from the inlet space 4 has the particular advantage that the sealing air, like the air to be compressed, has passed the inlet filter 6 and is thus freed from harmful contaminants to the same extent as the compressor air itself.
  • FIG. 3 the pressure curve of the static pressure P s in the intake tract of the compressor from Fig. 1 is shown schematically for two different operating states, the circled Roman numerals I to III denoting different locations of the intake tract.
  • I denotes the outside of the inlet filter 6,
  • II the inlet space 4
  • III the part of the intake duct 27 behind the inlet guide vanes 8 and in front of the first compressor stage.
  • the solid curve (a) represents the pressure curve in the event that the inlet guide vanes 8 are fully open, ie in the target position of the compressor design point are posed.
  • the pressure drops slightly from the environment to the inlet space 4 because the cross sections are large enough here.
  • it falls more sharply in the intake duct 27 because the cross sections are correspondingly smaller here or the air is accelerated accordingly.
  • the dashed curve (b) represents the pressure curve in the event that the inlet guide vanes 8 are in a throttle position rotated by a large angle, so that up to 50% less air reaches the compressor.
  • the pressure drop in the intake duct is greater because of the increased flow resistance of the inlet guide vanes 8, while the course to the inlet space 4 flattens out because of the reduced flow.
  • the flow conditions in the sealing area itself can be explained on the basis of the enlarged detail from FIG. 2:
  • the sealing housing 11 with the sealing air chamber 12 lying inside and closed off by a closing ring 19 is attached to a flange-like end of the inner shell 16.
  • the seal housing 11 encloses the rotor shaft 10 at a short distance, so that the annular gap 28 remains between the housing and the shaft.
  • the solution drawn from the inlet chamber 4 the sealing air IA (I Ntake A ir) into the sealing air chamber 12 passes through the sealing air passage 15 and flows from there through the sealing air openings 21 in the annular gap 28th
  • the annular gap 28 itself has a thickness of a few millimeters.
  • the flow resistance in the annular gap 28 is increased by a large number of sealing ribs 20 arranged one behind the other in the axial direction (see also FIG. 6).
  • the sealing ribs 20 alternately protrude from the inner wall of the seal housing 11 and from the outer surface of the rotor shaft 10 perpendicular to the compressor axis 18 into the annular gap 28 and, with their distance from the opposite wall, define a radial play S (FIG. 6), which is preferably about 1 mm.
  • the entirety of the sealing ribs 20 is divided into two groups 20a and 20b, one of which, 20a, is arranged behind the sealing air opening 21 in the direction of flow and the other, 20b, is arranged in front of it.
  • the sealing ribs 20 can also be fitted exclusively on the rotor shaft 10 according to an exemplary embodiment (not shown).
  • the two groups 20a, b of sealing ribs essentially determine the leakage flows of the sealing air IA and ambient air AA through the annular gap in terms of the number and division of the ribs.
  • a radial clearance S of 1 mm results in the leakage flow rates L for IA and AA shown in the diagram in FIG. 4, where L 0 is the sum of the air quantities IA and AA in case (a) of the example shown in FIG. 4.
  • Case (a) in turn relates to fully opened inlet guide vanes 8, while case (b) refers to the strong throttle position already mentioned.
  • the invention can also be applied to compressors with rigid inlet guide vanes 8.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmaschinen. Sie betrifft einen Verdichter, insbesondere für Gasturbinen, umfassend

  • (a) eine um eine Verdichterachse drehbare Rotorwelle mit einer Mehrzahl von an ihrem Umfang befestigten Laufschaufeln;
  • (b) ein die Rotorwelle im Bereich der Laufschaufeln umgebendes Verdichtergehäuse;
  • (c) ein auf der Eintrittsseite des Verdichters die Rotorwelle umschliessendes Einlassgehäuse mit einer Aussenschale und einer Innenschale, zwischen denen ein Eintrittsraum für die zu verdichtende Luft gebildet wird, welcher Eintrittsraum auf der einen Seite über einen mit einem Eintrittsfilter versehenen Lufteintritt mit der Umgebung in Verbindung steht, und auf der anderen Seite in einen mit verstellbaren oder festen Einlassleitschaufeln ausgestatteten Ansaugkanal übergeht, wobei die Aussenschale an das Verdichtergehäuse anschliesst; und
  • (d) an dem den Laufschaufeln zugewandten Ende der Innenschale ein Dichtungsgehäuse, welches am Umfang der Rotorwelle anliegend den Ansaugkanal gegen die Umgebung abdichtet und eine Dichtungsluftkammer umfasst, aus der Dichtungsluft in den Ringspalt zwischen Dichtungsgehäuse und Rotorwelle austreten kann.
The present invention relates to the field of turbomachines. It relates comprehensively to a compressor, in particular for gas turbines
  • (a) a rotor shaft rotatable about a compressor axis with a plurality of rotor blades attached to its periphery;
  • (b) a compressor housing surrounding the rotor shaft in the region of the rotor blades;
  • (c) an inlet housing enclosing the rotor shaft on the inlet side of the compressor with an outer shell and an inner shell, between which an inlet space for the air to be compressed is formed, which inlet space on the one hand communicates with the surroundings via an air inlet provided with an inlet filter stands, and on the other hand merges into an intake duct equipped with adjustable or fixed inlet guide vanes, the outer shell connecting to the compressor housing; and
  • (d) at the end of the inner shell facing the rotor blades, a sealing housing which, adjacent to the circumference of the rotor shaft, seals the intake duct from the environment and comprises a sealing air chamber from which sealing air can escape into the annular gap between the sealing housing and the rotor shaft.

Ein solcher Verdichter ist z.B. aus dem Artikel von J. P. Smed und H. Saeki, A NEW DESIGN FOR A COMPRESSOR INLET CASING ATMOSPHERIC VENT SYSTEM, ASME Cogen-Turbo, IGTI-Vol.7, S.535-537 (ASME 1992), bekannt.Such a compressor is e.g. from the article by J. P. Smed and H. Saeki, A NEW DESIGN FOR A COMPRESSOR INLET CASING ATMOSPHERIC VENT SYSTEM, ASME Cogen-Turbo, IGTI-Vol. 7, p.535-537 (ASME 1992).

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Bei Verdichtern, wie sie als Teil einer Gasturbine Anwendung finden, müssen Vorkehrungen getroffen werden, um während des Betriebes an der drehenden Rotorwelle Räume mit unterschiedlichen Drücken gegeneinander abzudichten, damit der Wirkungsgrad des Verdichters hoch bleibt und Störungen - wie sie beispielsweise durch das Eintreten von Schmieröl aus den Lagern in den Verdichterkanal ausgelöst werden können - sicher vermieden werden.With compressors, such as those used as part of a gas turbine, precautions must be taken to seal spaces with different pressures against each other during operation on the rotating rotor shaft, so that the efficiency of the compressor remains high and faults - such as those caused by the ingress of lubricating oil can be triggered from the bearings in the compressor duct - safely avoided.

Eine mögliche Dichtungsart ist die Dichtung mit unter Druck stehender Luft, wie sie z.B. in der US-A-3,031,132 für die Gasturbine eines Flugzeugs beschrieben ist. Die Rotorwelle ist dabei an der abzudichtenden Stelle von einer in einem entsprechenden Dichtungsgehäuse untergebrachten Dichtungskammer ringförmig umgeben. Aus der Dichtungskammer kann die unter Druck stehende Dichtungsluft in den Ringspalt zwischen Dichtungsgehäuse und Rotorwelle austreten und so das Eindringen von unerwünschten Medien in den Ringspalt begrenzen oder ganz verhindern. Die Druckluft wird dabei üblicherweise aus einer oder wahlweise mehreren Druckstufen des Verdichters abgezapft und über eine geeignete Ventilschaltung und Regelung in die Dichtungskammer eingespeist.A possible type of seal is the seal with pressurized air, such as e.g. in US-A-3,031,132 for the gas turbine of an aircraft. The rotor shaft is ring-shaped at the point to be sealed by a sealing chamber accommodated in a corresponding sealing housing. The pressurized sealing air can escape from the sealing chamber into the annular gap between the sealing housing and the rotor shaft and thus limit or completely prevent the entry of undesired media into the annular gap. The compressed air is usually drawn off from one or optionally several pressure stages of the compressor and fed into the sealing chamber via a suitable valve circuit and control.

Eine solche Druckluftdichtung kann an verschiedenen Stellen des Verdichters angeordnet sein: In dem zitierten US-Patent ist das Dichtungsgehäuse, welches zugleich auch noch Kühlungsaufgaben übernehmen kann, neben dem hochdruckseitigen Wellenlager des Verdichters angeordnet. In der eingangs genannten Druckschrift wird ein Stand der Technik beschrieben (siehe die dortigen Figuren 1 und 2), bei dem die Dichtung an dem eingangsseitigen Achslager, wo die Rotorwelle nach aussen abgeht und das Verdichtergehäuse in das Einlassgehäuse übergeht, angeordnet ist. Hierdurch soll vor allem verhindert werden, dass ungefilterte und möglicherweise mit Oel versetzte Aussenluft über die Lagerung in den eingangsseitigen Unterdruckteil des Verdichters gedrückt wird und sich mit der Verdichterluft vermischt.Such a compressed air seal can be arranged at various points on the compressor: in the cited US patent, the seal housing, which can also take on cooling tasks at the same time, is arranged next to the high-pressure shaft bearing of the compressor. A prior art is described in the publication mentioned at the beginning (See FIGS. 1 and 2 there), in which the seal is arranged on the input-side axle bearing, where the rotor shaft goes out and the compressor housing merges into the inlet housing. The main aim of this is to prevent unfiltered and possibly oil-contaminated outside air from being pressed via the bearing into the vacuum part of the compressor on the inlet side and mixing with the compressor air.

Wenn der Verdichter mit festen oder sich wenig ändernden Parametern betrieben wird, hält sich der Aufwand für die Druckluftdichtung in erträglichen Grenzen. Impraktikabel wird diese Lösung jedoch dann, wenn am Eingang des Verdichters verstellbare Einlassleitschaufeln vorgesehen sind, mit denen der Einlassluftstrom bei Teillast in erheblichem Umfang gedrosselt werden kann. Da bei einer starken Drosselung der Luftdruck im Verdichter frühestens nach etwa der dritten Kompressionsstufe Atmosphärenniveau erreicht, ist es notwendig, die Druckluft an der fünften Stufe oder später zu entnehmen. Wird die Drosselung dagegen beseitigt, sind Temperatur und Druck einer an der fünften Stufe oder später entnommenen Druckluft mit 180°C und 4 bar zu hoch, so dass ein Umschaltventil notwendig wird, um die Druckluft an einer kühleren Stufe abzuzapfen.If the compressor is operated with fixed or little changing parameters, the effort for the compressed air seal is kept within tolerable limits. However, this solution becomes impractical if adjustable inlet guide vanes are provided at the inlet of the compressor, with which the inlet air flow can be throttled to a considerable extent at part load. Since the air pressure in the compressor reaches an atmospheric level at the earliest after about the third compression stage, it is necessary to extract the compressed air at the fifth stage or later. If, on the other hand, the throttling is eliminated, the temperature and pressure of a compressed air taken at the fifth stage or later at 180 ° C. and 4 bar are too high, so that a changeover valve is necessary in order to draw off the compressed air at a cooler stage.

In der eingangs genannten Druckschrift (Smed und Saeki) ist nun bereits eine mit Luft arbeitende Dichtung vorgeschlagen worden, die ohne externe Kontroll- und Regelschaltungen auskommt (Fig. 4). Dies wird dadurch erreicht, dass die Dichtungskammer, welche die auf Unterdruck befindliche Ansaugseite des Verdichters von der ebenfalls, aber auf kleinerem Unterdruck liegenden Lagerung trennen soll, durch einen Kanal mit Kühlluft beaufschlagt wird, welche sich auf atmosphärischem Druck befindet.In the publication mentioned at the beginning (Smed and Saeki), an air-operated seal has been proposed which does not require external control and regulating circuits (FIG. 4). This is achieved in that the sealing chamber, which is to separate the suction side of the compressor which is under vacuum from the bearing, which is also but at a lower vacuum, is acted upon by cooling air through a duct which is at atmospheric pressure.

Diese bekannte Lösung bringt jedoch vor allem ein Problem mit sich: Die eingangsseitige Kühlluft ist üblicherweise keiner speziellen Filterung unterzogen, so dass auch hier (über die Dichtungsluft) Verunreinigungen in den Verdichterkanal eingeschleust werden können.However, this known solution has one problem in particular: the cooling air on the inlet side is usually not subjected to special filtering so that here too (via the sealing air) impurities can be introduced into the compressor duct.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Verdichter mit einer Dichtung anzugeben, bei welcher die Gefahr einer Verschmutzung erheblich verringert ist.It is an object of the invention to provide a compressor with a seal in which the risk of contamination is considerably reduced.

Die Aufgabe wird bei einem Verdichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
(e) die Dichtungskammer über wenigstens einen Dichtungsluftkanal mit dem Eintrittsraum in Verbindung steht.The object is achieved in a compressor of the type mentioned in that
(e) the sealing chamber is connected to the entry space via at least one sealing air duct.

Der Kern der Erfindung besteht darin, die Dichtungsluft hinter dem Eintrittsfilter und vor den Einlassleitschaufeln aus dem Eintrittsraum abzuzapfen, wobei die Entnahme vorzugsweise vor dem Ansaugkanal stattfindet. Dort steht gefilterte Luft zur Verfügung, die annähernd Atmosphärendruck aufweist und daher die gewünschten Dichtungsaufgaben erfüllen kann.The essence of the invention consists in tapping the sealing air behind the inlet filter and in front of the inlet guide vanes from the inlet space, the removal preferably taking place in front of the intake duct. Filtered air is available there, which has approximately atmospheric pressure and can therefore perform the desired sealing tasks.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass

  • (a) in dem Ringspalt zwischen Dichtungsgehäuse und Rotorwelle in Richtung der Verdichterachse hintereinanderliegend eine Mehrzahl von Dichtrippen angeordnet ist, welche Dichtrippen abwechselnd von dem Dichtungsgehäuse und der Rotorwelle ausgehend in den Ringspalt hineinragen und durch ihren Abstand von der gegenüberliegenden Seite ein radiales Spiel definieren; und
  • (b) die Dichtrippen in zwei Gruppen unterteilt sind, und die Dichtungsluft durch eine zwischen den beiden Gruppen angeordnete Dichtungsluftöffnung aus der Dichtungsluftkammer in den Ringspalt ausströmt.
A preferred embodiment of the invention is characterized in that
  • (a) a plurality of sealing ribs are arranged one behind the other in the annular gap between the sealing housing and the rotor shaft in the direction of the compressor axis, which sealing ribs alternately protrude from the sealing housing and the rotor shaft into the annular gap and define a radial play due to their distance from the opposite side; and
  • (b) the sealing ribs are divided into two groups, and the sealing air flows out of the sealing air chamber into the annular gap through a sealing air opening arranged between the two groups.

Durch die Aufteilung der Dichtrippen kann das Verhältnis zwischen den durch den Ringspalt strömenden Mengen von Dichtungsluft und Umgebungsluft auf einfache Weise optimiert werden. Desgleichen ist eine Optimierung zwischen Teillast (verstellbare Einlassleitschaufeln) und Vollast möglich.By dividing the sealing ribs, the ratio between the quantities of sealing air and ambient air flowing through the annular gap can be optimized in a simple manner. Likewise, an optimization between partial load (adjustable inlet guide vanes) and full load is possible.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further embodiments result from the dependent claims.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENBRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1
im Längsschnitt einen Teil der Ansaugseite gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verdichters nach der Erfindung;
Fig. 2
im vergrösserten Ausschnitt die eigentliche Dichtung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Verdichters;
Fig. 3
ein Diagramm der Druckverhältnisse im Ansaugtrakt des Verdichters nach Fig. 1 ohne (Kurve a) und mit (Kurve b) Drosselung;
Fig. 4
die bei einem Verdichter gemäss Fig. 2 am Ringspalt auftretenden Leckagedurchflüsse (L) von Dichtungsluft (Intake Air IA) und Umgebungsluft (Ambient Air AA) ohne (a) und mit (b) Drosselung;
Fig. 5
die Abhängigkeit der Leckagedurchflüsse (L) aus Fig. 4 von der Aufteilung der Dichtrippen im Ringspalt; und
Fig. 6
die zu Fig. 5 gehörende Darstellung der für die Durchflüsse zugrundegelegten Dichtungsgeometrie.
The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in connection with the figures. Show it
Fig. 1
in longitudinal section part of the suction side according to a preferred embodiment of the compressor according to the invention;
Fig. 2
in the enlarged detail the actual seal of a second embodiment of the compressor according to the invention;
Fig. 3
a diagram of the pressure conditions in the intake tract of the compressor of Figure 1 without (curve a) and with (curve b) throttling.
Fig. 4
the leakage flow rates (L) of sealing air (Intake Air IA) and ambient air (Ambient Air AA) occurring in a compressor according to FIG. 2 without (a) and with (b) throttling;
Fig. 5
the dependence of the leakage flow rates (L) from FIG. 4 on the distribution of the sealing ribs in the annular gap; and
Fig. 6
the representation belonging to FIG. 5 of the sealing geometry on which the flow rates are based.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION

In Fig. 1 ist die Ansaugseite eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verdichters nach der Erfindung im Längsschnitt wiedergegeben. Der Verdichter 1 umfasst eine um eine Verdichterachse 18 drehbare Rotorwelle 10. Die Rotorwelle 10 ist auf der rechten Seite der Figur nach aussen geführt und auf der linken Seite mit einer Mehrzahl von an ihrem Umfang befestigten Laufschaufeln 7 bestückt, von denen hier nur Laufschaufeln der ersten Stufe gezeigt sind.In Fig. 1 the suction side of a preferred embodiment of a compressor according to the invention is shown in longitudinal section. The compressor 1 comprises a rotor shaft 10 which can be rotated about a compressor axis 18. The rotor shaft 10 is guided outwards on the right side of the figure and is equipped on the left side with a plurality of rotor blades 7 fastened to its periphery, of which only rotor blades of the first are shown here Level are shown.

Die Rotorwelle 10 ist im Bereich der Laufschaufeln 7 von einem Verdichtergehäuse 2 umgeben, welches (nicht dargestellte) Leitschaufeln aufweist und zusammen mit dem Rotor den eigentlichen Verdichter bildet. Auf der Eintrittsseite des Verdichters 1 wird die Rotorwelle 10 von einem Einlassgehäuse 9 umschlossen. Das Einlassgehäuse 9 besteht aus einer Aussenschale 3 und einer Innenschale 16, zwischen denen ein Eintrittsraum 4 für die zu verdichtende Luft gebildet wird. Der Eintrittsraum 4 steht auf der einen Seite über einen mit einem Eintrittsfilter 6 versehenen Lufteintritt 5 mit der Umgebung in Verbindung. Auf der anderen Seite geht er in einen mit Einlassleitschaufeln 8 ausgestatteten Ansaugkanal 27 über. Die Aussenschale 3 des Einlassgehäuses 9 schliesst dabei an das Verdichtergehäuse 2 an. Die Einlassleitschaufeln 8 selbst sind hier verstellbar und mittels der Schaufellager 26a im Verdichtergehäuse 2 und 26b (Fig. 2) im Dichtungsgehäuse 11 drehbar gelagert.The rotor shaft 10 is surrounded in the region of the rotor blades 7 by a compressor housing 2 which has guide vanes (not shown) and forms the actual compressor together with the rotor. The rotor shaft 10 is enclosed by an inlet housing 9 on the inlet side of the compressor 1. The inlet housing 9 consists of an outer shell 3 and an inner shell 16, between which an inlet space 4 for the air to be compressed is formed. The entry space 4 is connected on one side to the surroundings via an air inlet 5 provided with an inlet filter 6. On the other hand, it merges into an intake duct 27 equipped with inlet guide vanes 8. The outer shell 3 of the inlet housing 9 adjoins the compressor housing 2. The inlet guide vanes 8 themselves are adjustable here and rotatably supported in the seal housing 11 by means of the blade bearings 26a in the compressor housing 2 and 26b (FIG. 2).

Zur Abdichtung des stromab hinter der Einlassleitschaufel 8 liegenden Raumes, in welchem beim Betrieb des Verdichters Unterdruck herrscht, gegen die Umgebungsluft ist an dem den Laufschaufeln 7 zugewandten Ende der Innenschale 16 ein Dichtungsgehäuse 11 vorgesehen. Das Dichtungsgehäuse 11 liegt mit geringem Abstand am Umfang der Rotorwelle 10 an und enthält eine Dichtungsluftkammer 12, aus der Dichtungsluft in den zwischen Dichtungsgehäuse 11 und Rotorwelle 10 gebildeten Ringspalt 28 (Fig. 2) austreten kann. Die Rotorwelle 10 ist eingangsseitig mittels eines an der Innenwand eines Lagergehäuses 25 angebrachten Wellenlagers 17 gelagert.To seal the space downstream downstream of the inlet guide vane 8, in which there is negative pressure during operation of the compressor, against the ambient air, a seal housing is provided on the end of the inner shell 16 facing the rotor blades 7 11 provided. The seal housing 11 lies at a small distance on the circumference of the rotor shaft 10 and contains a sealing air chamber 12, from which sealing air can escape into the annular gap 28 (FIG. 2) formed between the sealing housing 11 and the rotor shaft 10. The rotor shaft 10 is supported on the input side by means of a shaft bearing 17 attached to the inner wall of a bearing housing 25.

Die aus der Dichtungsluftkammer 12 in den Ringspalt 28 ausströmende Dichtungsluft wird aus dem Eintrittsraum 4 abgezapft. Hierzu ist sind ein oder mehrere Dichtungsluftkanäle 15 vorgesehen, die z.B. in Form von Bohrungen im Inneren der Innenschale 16 verlaufen und die Dichtungsluftkammer 12 über je einen Dichtungslufteinlass 13 mit dem Eintrittsraum 4 verbinden. Jeder Dichtungsluftkanal 15 kann dabei vorteilhafterweise einen zweiten Eingang aufweisen, der im Normalfall mit einer Verschlussplatte 14 verschlossen ist, es aber im Sonderfall gestattet, die Dichtungsluft aus einem separaten, angeschlossenen Druckluftsystem zu beziehen. Das Abzapfen der Dichtungsluft aus dem Eintrittsraum 4 hat den besonderen Vorteil, dass die Dichtungsluft, ebenso wie die zu verdichtende Luft, den Eintrittsfilter 6 passiert hat und damit von schädlichen Verunreinigungen in gleichem Masse befreit ist wie die Verdichterluft selbst.The sealing air flowing out of the sealing air chamber 12 into the annular gap 28 is drawn off from the inlet space 4. For this purpose, one or more sealing air channels 15 are provided, which e.g. run in the form of bores in the interior of the inner shell 16 and connect the sealing air chamber 12 to the inlet space 4 via a respective sealing air inlet 13. Each sealing air duct 15 can advantageously have a second inlet, which is normally closed with a closure plate 14, but in special cases allows the sealing air to be obtained from a separate, connected compressed air system. Tapping the sealing air from the inlet space 4 has the particular advantage that the sealing air, like the air to be compressed, has passed the inlet filter 6 and is thus freed from harmful contaminants to the same extent as the compressor air itself.

In Fig. 3 ist der Druckverlauf des statischen Drucks Ps im Ansaugtrakt des Verdichters aus Fig. 1 für zwei unterschiedliche Betriebszustande schematisch wiedergegeben, wobei mit den eingekreisten römischen Zahlen I bis III verschiedene Stellen des Ansaugtraktes gekennzeichnet sind. (I) bezeichnet die Aussenseite des Eintrittsfilters 6, (II) den Eintrittsraum 4 und (III) den Teil des Ansaugkanals 27 hinter den Einlassleitschaufeln 8 und vor der ersten Verdichterstufe.In Fig. 3, the pressure curve of the static pressure P s in the intake tract of the compressor from Fig. 1 is shown schematically for two different operating states, the circled Roman numerals I to III denoting different locations of the intake tract. (I) denotes the outside of the inlet filter 6, (II) the inlet space 4 and (III) the part of the intake duct 27 behind the inlet guide vanes 8 and in front of the first compressor stage.

Die durchgezogene Kurve (a) stellt den Druckverlauf für den Fall dar, dass die Einlassleitschaufeln 8 vollständig geöffnet, d.h. in Sollstellung des Verdichter-Auslegungspunktes gestellt sind. In diesem Fall fällt der Druck von der Umgebung zum Eintrittsraum 4 hin schwach ab, weil hier die Querschnitte gross genug sind. Er fällt dagegen stärker im Ansaugkanal 27 ab, weil hier die Querschnitte entsprechend geringer sind bzw. die Luft entsprechend beschleunigt wird.The solid curve (a) represents the pressure curve in the event that the inlet guide vanes 8 are fully open, ie in the target position of the compressor design point are posed. In this case, the pressure drops slightly from the environment to the inlet space 4 because the cross sections are large enough here. In contrast, it falls more sharply in the intake duct 27 because the cross sections are correspondingly smaller here or the air is accelerated accordingly.

Die gestrichelt gezeichnete Kurve (b) stellt den Druckverlauf für den Fall dar, dass die Einlassleitschaufeln 8 in einer um einen grossen Winkel gedrehten Drosselstellung stehen, so dass bis zu 50% weniger Luft zum Verdichter gelangt. In diesem Fall ist der Druckabfall im Ansaugkanal wegen des gegenüber (a) erhöhten Strömungswiderstandes der Einlassleitschaufeln 8 grösser, während der Verlauf bis zum Eintrittsraum 4 hin sich wegen der verringerten Strömung abflacht.The dashed curve (b) represents the pressure curve in the event that the inlet guide vanes 8 are in a throttle position rotated by a large angle, so that up to 50% less air reaches the compressor. In this case, the pressure drop in the intake duct is greater because of the increased flow resistance of the inlet guide vanes 8, while the course to the inlet space 4 flattens out because of the reduced flow.

Die Strömungsverhältnisse im Dichtungsbereich selbst können anhand des vergrösserten Ausschnitts aus Fig. 2 erläutert werden: Das Dichtungsgehäuse 11 mit der innenliegenden und durch einen Abschlussring 19 abgeschlossenen Dichtungsluftkammer 12 ist an einem flanschartigen Ende der Innenschale 16 angebracht. Das Dichtungsgehäuse 11 umschliesst die Rotorwelle 10 in geringem Abstand, so dass zwischen Gehäuse und Welle der Ringspalt 28 verbleibt. Die aus dem Eintrittsraum 4 abgezapfte Dichtungsluft IA (Intake Air) tritt durch den Dichtungsluftkanal 15 in die Dichtungsluftkammer 12 ein und strömt von dort durch Dichtungsluftöffnungen 21 in den Ringspalt 28.The flow conditions in the sealing area itself can be explained on the basis of the enlarged detail from FIG. 2: The sealing housing 11 with the sealing air chamber 12 lying inside and closed off by a closing ring 19 is attached to a flange-like end of the inner shell 16. The seal housing 11 encloses the rotor shaft 10 at a short distance, so that the annular gap 28 remains between the housing and the shaft. The solution drawn from the inlet chamber 4 the sealing air IA (I Ntake A ir) into the sealing air chamber 12 passes through the sealing air passage 15 and flows from there through the sealing air openings 21 in the annular gap 28th

Auf der rechten Seite des Dichtungsgehäuses 11, im Umgebungsraum 22 befindet sich Umgebungsluft AA (Ambient Air) unter Normaldruck. Sie ist gegen das Wellenlager mittels verschiedener Dichtelemente 23, 24 abgedichtet. Auf der linken Seite des Dichtungsgehäuses 11 herrscht weitgehend derjenige Unterdruck, der sich beim Betrieb des Verdichters stromab hinter den Einlassleitschaufeln 8 einstellt. Aus diesem Grund existiert entlang dem Ringspalt 28 ein Druckgradient, der die Umgebungsluft AA und die in den Ringspalt austretende Dichtungsluft IA nach links durch den Ringspalt treibt.On the right side of the seal housing 11, in the ambient space 22, there is ambient air AA ( A mbient A ir) under normal pressure. It is sealed against the shaft bearing by means of various sealing elements 23, 24. On the left side of the seal housing 11 there is largely the negative pressure that occurs downstream of the inlet guide vanes 8 when the compressor is in operation. For this reason, there is a pressure gradient along the annular gap 28, which Ambient air AA and the sealing air IA emerging in the annular gap drive to the left through the annular gap.

Der Ringspalt 28 selbst hat eine Dicke von einigen Millimetern. Der Strömungswiderstand im Ringspalt 28 wird erhöht durch eine Vielzahl von in Achsenrichtung hintereinander angeordneten Dichtrippen 20 (siehe auch Fig. 6). Die Dichtrippen 20 ragen abwechselnd von der Innenwand des Dichtungsgehäuses 11 und von der Aussenfläche der Rotorwelle 10 senkrecht zur Verdichterachse 18 in den Ringspalt 28 hinein und definieren mit ihrem Abstand zur jeweils gegenüberliegenden Wand ein radiales Spiel S (Fig. 6), welches vorzugsweise etwa 1 mm beträgt. Die Gesamtheit der Dichtrippen 20 ist in zwei Gruppen 20a und 20b aufgeteilt, von denen die eine, 20a, in Strömungsrichtung hinter der Dichtungsluftöffnung 21, und die andere, 20b, davor angeordnet ist. Anstelle der abwechselnd von der Innenwand des Dichtungsgehäuses 11 und von der Aussenfläche der Rotorwelle 10 ausgehenden Dichtrippen können gemäss einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel die Dichtrippen 20 auch ausschliesslich auf der Rotorwelle 10 angebracht sein.The annular gap 28 itself has a thickness of a few millimeters. The flow resistance in the annular gap 28 is increased by a large number of sealing ribs 20 arranged one behind the other in the axial direction (see also FIG. 6). The sealing ribs 20 alternately protrude from the inner wall of the seal housing 11 and from the outer surface of the rotor shaft 10 perpendicular to the compressor axis 18 into the annular gap 28 and, with their distance from the opposite wall, define a radial play S (FIG. 6), which is preferably about 1 mm. The entirety of the sealing ribs 20 is divided into two groups 20a and 20b, one of which, 20a, is arranged behind the sealing air opening 21 in the direction of flow and the other, 20b, is arranged in front of it. Instead of the sealing ribs alternatingly emanating from the inner wall of the sealing housing 11 and from the outer surface of the rotor shaft 10, the sealing ribs 20 can also be fitted exclusively on the rotor shaft 10 according to an exemplary embodiment (not shown).

Die beiden Gruppen 20a,b von Dichtrippen bestimmen von der Rippenanzahl und -aufteilung her massgeblich die Leckagedurchflüsse der Dichtungsluft IA und Umgebungsluft AA durch den Ringspalt. Für die in Fig. 2 dargestellte typische Dichtungsgeometrie eines grossen Gasturbinenverdichters mit 9 Paaren von Dichtrippen 20, d.h., 9 oberen und 9 unteren Dichtrippen, von denen 6 Paare in der Gruppe 20a und 3 Paare in der Gruppe 20b angeordnet sind, und einem radialen Spiel S von 1 mm ergeben sich die in Fig. 4 im Diagramm dargestellten Leckagedurchflüsse L für IA und AA, wobei L0 die Summe der Luftmengen IA und AA im Fall (a) vom in Fig. 4 dargestellten Beispiel ist. Der Fall (a) bezieht sich dabei wiederum auf vollständig geöffnete Einlassleitschaufeln 8, während der Fall (b) auf die bereits erwähnte starke Drosselstellung Bezug nimmt.The two groups 20a, b of sealing ribs essentially determine the leakage flows of the sealing air IA and ambient air AA through the annular gap in terms of the number and division of the ribs. For the typical sealing geometry shown in FIG. 2 of a large gas turbine compressor with 9 pairs of sealing ribs 20, ie, 9 upper and 9 lower sealing ribs, of which 6 pairs are arranged in group 20a and 3 pairs in group 20b, and a radial clearance S of 1 mm results in the leakage flow rates L for IA and AA shown in the diagram in FIG. 4, where L 0 is the sum of the air quantities IA and AA in case (a) of the example shown in FIG. 4. Case (a) in turn relates to fully opened inlet guide vanes 8, while case (b) refers to the strong throttle position already mentioned.

Obgleich im Unterschied zu einem herkömmlichen, mit Druckluft arbeitenden Dichtungssystem der Leckagedurchfluss L von Umgebungsluft AA beim erfindungsgemässen Verdichter nicht vollständig unterbunden werden kann, ist er gleichwohl auch im ungünstigsten Fall (a) sehr gering und verringert sich weiter, wenn der Verdichter 1 im Drosselbetrieb arbeitet (Fall b). Dieser Leckagedurchfluss lässt sich darüber hinaus auf Kosten einer Umgehung der Drosselung noch weiter herabsetzen, wenn die Verteilung der Dichtrippen 20 auf die Gruppen 20a und 20b anders vorgenommen wird. Dies ergibt sich aus dem Diagramm der Fig. 5, das sich auf die in Fig. 6 noch einmal dargestellte Dichtungsgeometrie bezieht. Das Diagramm zeigt die Veränderung der Leckagedurchflüsse L der Dichtungsluft IA und der Umgebungsluft AA in Abhängigkeit von der Anzahl n der Dichtrippen-Paare, die bei einer konstanten Gesamtzahl von 9 Paaren in der Gruppe 20b angeordnet sind (a und b beziehen sich hier wiederum auf die Betriebsweise ohne und mit Drosselung; der Fall n=3 entspricht im übrigen der Darstellung aus Fig. 4). Selbstverständlich kann die Erfindung auch bei Verdichtern mit starren Einlassleitschaufeln 8 angewendet werden.Although, in contrast to a conventional sealing system working with compressed air, the leakage flow L of ambient air AA cannot be completely prevented in the compressor according to the invention, it is nevertheless very low even in the worst case (a) and decreases further when the compressor 1 operates in throttle mode (Case b). This leakage flow can also be further reduced at the cost of bypassing the throttling if the distribution of the sealing ribs 20 to the groups 20a and 20b is carried out differently. This results from the diagram in FIG. 5, which relates to the sealing geometry shown again in FIG. 6. The diagram shows the change in the leakage flows L of the sealing air IA and the ambient air AA as a function of the number n of the pairs of sealing ribs, which are arranged in a constant total number of 9 pairs in the group 20b (a and b here in turn relate to the Operating mode with and without throttling; the case n = 3 otherwise corresponds to the illustration in FIG. 4). Of course, the invention can also be applied to compressors with rigid inlet guide vanes 8.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Verdichter, der sich durch folgende Vorteile auszeichnet:

  • es gibt einen vernachlässigbar kleinen Anteil von einströmender Luft, die am Eintrittsfilter vorbei in das Verdichtersystem eintritt
  • die Dichtung benötigt keine Druckluftversorgungsleitungen und -steuerventile
  • da die Dichtungsluft an einer Stelle stromauf anstelle von stromab abgezapft wird, ergibt sich durch eine Drosselung mittels der Einlassleitschaufeln 8 eine Verbesserung der Dichtwirkung
Overall, the invention results in a compressor which is distinguished by the following advantages:
  • there is a negligibly small proportion of incoming air that passes the inlet filter and enters the compressor system
  • the seal does not require compressed air supply lines and control valves
  • since the sealing air is tapped at an upstream position instead of downstream, throttling by means of the inlet guide vanes 8 improves the sealing effect

BEZEICHNUNGSLISTELIST OF DESIGNATIONS

11
Verdichtercompressor
22nd
VerdichtergehäuseCompressor housing
33rd
Aussenschale (Einlassgehäuse)Outer shell (inlet housing)
44th
EintrittsraumEntry space
55
LufteintrittAir intake
66
EintrittsfilterInlet filter
77
LaufschaufelBlade
88th
Einlassleitschaufel (drehbar oder fest)Inlet guide vane (rotatable or fixed)
99
EinlassgehäuseInlet housing
1010th
RotorwelleRotor shaft
1111
DichtungsgehäuseSeal housing
1212th
DichtungsluftkammerSealing air chamber
1313
DichtungslufteinlassSealing air inlet
1414
VerschlussplatteSealing plate
1515
DichtungsluftkanalSealing air duct
1616
Innenschale (Einlassgehäuse)Inner shell (inlet housing)
1717th
WellenlagerShaft bearing
1818th
VerdichterachseCompressor axis
1919th
AbschlussringGraduation ring
20,20a,b20.20a, b
DichtrippeSealing rib
2121
DichtungsluftöffnungSeal air opening
2222
Umgebungsraum (Lagergehäuse)Surrounding space (bearing housing)
23,2423.24
DichtelementSealing element
2525th
LagergehäuseBearing housing
26a,b26a, b
SchaufellagerShovel bearing
2727
AnsaugkanalIntake duct
2828
RingspaltAnnular gap
IAIA
DichtungsluftSealing air
AAAA
UmgebungsluftAmbient air
LL
LeckagedurchflussLeakage flow
nn
Anzahl Dichtrippenpaare 20bNumber of sealing rib pairs 20b
Ps P s
statischer Druckstatic pressure
SS
radiales Spielradial play

Claims (5)

  1. Compressor, in particular for gas turbines, including
    (a) a rotor shaft (10) which can be rotated about a compressor centre line (18) and which has a plurality of rotor blades (7) fastened at its periphery;
    (b) a compressor casing (2) surrounding the rotor shaft (10) in the region of the rotor blades (7);
    (c) an inlet casing (9) surrounding the rotor shaft (10) at the inlet end of the compressor (1) and having an outer shell (3) and an inner shell (16) between which is formed an inlet space (4) for the air to be compressed, which inlet space (4) is in connection with the surroundings at one end by means of an air inlet (5) provided with an inlet filter (6) and merges at the other end into an induction duct (27) equipped with adjustable or fixed inlet guide vanes (8), the outer shell (3) adjoining the compressor casing (2); and
    (d) a seal casing (11) on the end of the inner shell (16) facing towards the rotor blades (7), which seal casing, located at the periphery of the rotor shaft (10), seals the induction duct (27) against the surroundings and includes a sealing air chamber (12) from which sealing air can emerge into the annular gap (28) between the seal casing (11) and the rotor shaft (10);
    characterized in that
    (e) the seal chamber (12) is in connection with the inlet space (4) by means of at least one sealing air passage (15).
  2. Compressor according to Claim 1, characterized in that
    (a) a plurality of sealing ribs (20) are arranged one behind the other in the direction of the compressor centre line (18) in the annular gap (28) between the seal casing (11) and the rotor shaft (10), which sealing ribs, starting from the rotor shaft, protrude into the annular gap (28) and define a radial clearance (5) by their distance from the opposite side; and
    (b) the sealing ribs (20) are subdivided into two groups (20a, b) and the sealing air flows out of the sealing air chamber (12) into the annular gap (28) through a sealing air opening (21) arranged between the two groups (20a, b).
  3. Compressor according to Claim 1, characterized in that
    (a) a plurality of sealing ribs (20) are arranged one behind the other in the direction of the compressor centre line (18) in the annular gap (28) between the seal casing (11) and the rotor shaft (10), which sealing ribs (20), starting alternately from the seal casing (11) and the rotor shaft (10), protrude into the annular gap (28) and define a radial clearance (5) by their distance from the opposite side; and
    (b) the sealing ribs (20) are subdivided into two groups (20a, b) and the sealing air flows out of the sealing air chamber (12) into the annular gap (28) through a sealing air opening (21) arranged between the two groups (20a, b).
  4. Compressor according to Claim 3, characterized in that the group of sealing ribs (20b) arranged between the sealing air opening (21) and the surroundings has a plurality of sealing rib pairs.
  5. Compressor according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the at least one sealing air passage (15) extends within the inner shell (16) of the inlet casing (9) and in that the at least one sealing air passage (15) is in connection at one end with the inlet space (4) by means of a sealing air inlet (13) and has a closable connection for a separate compressed air conduit at its other end.
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