EP2394029A2 - Turbomachine having a compensating piston - Google Patents

Turbomachine having a compensating piston

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Publication number
EP2394029A2
EP2394029A2 EP10703824A EP10703824A EP2394029A2 EP 2394029 A2 EP2394029 A2 EP 2394029A2 EP 10703824 A EP10703824 A EP 10703824A EP 10703824 A EP10703824 A EP 10703824A EP 2394029 A2 EP2394029 A2 EP 2394029A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cavity
seal
turbomachine
stator
pressure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10703824A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Patrick Van Der Span
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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 Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2394029A2 publication Critical patent/EP2394029A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/051—Axial thrust balancing
    • F04D29/0516—Axial thrust balancing balancing pistons
    • 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
    • F01D3/00—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid
    • F01D3/04—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid axial thrust being compensated by thrust-balancing dummy piston or the like
    • 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
    • F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
    • F04D29/041—Axial thrust balancing
    • F04D29/0416—Axial thrust balancing balancing pistons

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine with a balancing piston, which compensating piston has at least one shaft shoulder on a rotor extending along a machine axis and a seal, which seal seals a gap between the rotor and a stator, so that a cavity adjacent to a first side of the seal may have a different pressure in the operation by a differential pressure on the seal than on the other side of the seal, wherein the shaft shoulder adjacent to the cavity.
  • turbomachinery such as steam turbines, gas turbines or compressors, in particular axial and radial compressors, arises as a result of relaxation or compression of the process fluid above the impeller, a pressure difference, which causes an axial thrust of the rotor adjacent to adjacent surfaces of the rotor.
  • This axial thrust is dependent on the operating conditions of the turbomachine and can also act in different directions depending on the operating conditions.
  • differential pressure the differential pressure and the
  • turbo machine regularly have a so-called balance piston, which of the
  • Thrust compensation is used. This is regularly designed so that a small thrust remains in a certain direction under all operating conditions, so that no load change reactions take place and the rotor is not moved back and forth in any axial play.
  • Balancing pistons regularly have at least one shaft shoulder, often being considered to be radial extending disc are formed on the rotor and a shaft seal adjacent to the at least one shaft shoulder seals the rotor to a stator.
  • the most common design is the mentioned disc shape, so that on the two flanks or wave heels, which are defined by the disc different pressures produce the required axial thrust for compensation.
  • Adjacent to the shaft shoulder or the shaft seal and the stator a cavity is formed, in which a first pressure of a process fluid prevails, which differs from a second pressure on the other side of the cavity and a differential pressure across the shaft seal differently from the first pressure.
  • the first pressure acting on the shaft shoulder results with the surface of the shaft shoulder in a force which, correspondingly dimensioned, at least partially compensates for the axial thrust and accordingly facilitates the axial bearing of the shaft by the amount of the compensating force.
  • a system for compensating axial thrust is already known from the European patent EP 1 418 341 Bl with a compensating piston, which is acted upon only in case of need with pressure for thrust compensation, wherein in normal operation the thrust balance by means of the possible shaft seals at the passages through the housing , so that in normal operation no supply of the balance piston with process fluid is required.
  • the object of the invention on the basis of the abovementioned problems, is to reduce the loss of process fluid occurring at the compensating piston and thus to improve the efficiency of the machine.
  • the invention proposes that the stator is designed to be movable in such a way that the gap can be increased and decreased. Due to the guided moveable design of the stator, a gap width adapted to the current operating conditions of the turbomachine can be set which is lower than that required under other operating conditions so that the difference in amount of process fluid flowing through the balance piston is saved an improvement in efficiency.
  • This embodiment opens up the possibility of realizing a gap width of the gasket on the balance piston which is automatically adapted to the pressure in the cavity without any further actuators moving the stator or a complicated regulation.
  • the stator may have an elastic element which, depending on the position within the scope of the guided, preferably axial displaceability, generates a restoring force which counteracts the pressure in the cavity.
  • the force from the elastic element acts on the stator in the same or opposite direction of the force from the pressure in the cavity to the stator.
  • this elastic element may be designed such that adjusts to each operating pressure in the cavity a matching to the operating condition, which belongs to this pressure, matching gap.
  • the gap widening or gap reduction can be produced particularly simply by the fact that the annular space of the gap extending in the circumferential direction about the machine axis does not extend parallel to the machine axis in the axial direction, but is guided obliquely thereto and the displaceability of the stator in the axial direction.
  • This design has the advantage that the gap can be changed without a variation of the components involved in terms of their circumferential dimensions.
  • the gap limiting surfaces of the rotor and the stator are each formed as a cone. The cone of the rotor and the stator can be different from each other
  • a compensation line to the cavity for the supply or discharge of process fluid to adjust an advantageous for the operating pressure in the cavity.
  • this compensation line can open into a pressure reservoir of the process fluid or a pressure sink or suction, and particularly advantageously a control valve is provided in the equalization line, by means of which a defined pressure difference across the control valve is applicable.
  • the control valve allows the regulation of the pressure in the cavity via a control of the inflowing or outflowing amount of process fluid.
  • the efficiency of a turbomachine in particular of a compressor, can be increased in a particularly advantageous manner by virtue of the quantity flowing through the equalizing line after starting the turbomachine in steady-state operation
  • Process fluid is reduced by the control valve as far as it allows the remaining clearance of the seal on the balance piston.
  • the elastic Element, the stator and the inclination of the seal coordinated so that a reduction of the flowing through the equalization line and the seal amount of process fluid by means of the control valve has a reduction in the gap width of the seal result.
  • Figure 1 is a schematic representation of the turbomachine according to the invention with balancing piston in a longitudinal section.
  • FIG. 1 shows a compressor or a turbomachine T with a housing CAS and a rotor R which extends along a machine axis X.
  • the rotor R has an impeller IMP - here the impeller of a centrifugal compressor - by means of which a process fluid PF is compressed under a rotation with the rotational speed n of the rotor R from a first pressure pl to a higher second pressure p2.
  • Process fluid PF enters for this purpose in the housing CAS by an inflow IN and leaves the housing by an outflow EX. Before the process fluid PF leaves the housing CAS through the outflow EX, it partially collects in a pressure chamber PCH. Adjacent to the pressure chamber, the rotor R is provided with a balancing piston BP.
  • the balance piston BP has a substantially disc shape, which with the flat Aussteckung perpendicular to Machine axis X thus extends, accordingly, a first shaft shoulder RS1, which here adjoins the pressure chamber PCH, and a second shaft shoulder RS2, which adjoins a cavity CH.
  • a gap between the compensating piston BP and an axially movable stator ST in the housing CAS is sealed by means of a seal SS designed as a shaft seal - in this case as a labyrinth seal, so that a pressure difference arises between the pressure p 2 in the
  • a compensation line BPL is provided for discharge overflowing process fluid PF, which flows from the pressure chamber PCH to the cavity CH via the seal SS.
  • the compensation line BPL is connected to a pressure sink, which here is the inlet IN into the housing CAS.
  • Compensation line is connected to a pressure reservoir, if the pressure difference .DELTA.PBD on the balance piston BP is reversely oriented (for example, in a different orientation of the impeller).
  • the equalizing line BPL is provided with a control valve CF via which a pressure difference ⁇ PCV is generated depending on the position of the control valve CF.
  • a part of the seal SS is attached to the stator ST, which is guided guided axially movable, wherein the gap to be sealed GP to the machine axis X is inclined.
  • the spatial geometry defined by the gap GP forms a cone that extends concentrically circumferentially about the machine axis X.
  • the turbomachine T of this embodiment is a centrifugal compressor, and the balancing piston BP is on the higher pressure side of FIG Impeller IMP is arranged so that the pressure chamber PCH with respect to the cavity CH has a higher pressure, it is advantageous if a displacement of the stator ST in the direction of the chamber with the lower pressure (here cavity CH or p3) an enlargement of the gap GP or the gap width H causes and consequently causes a higher permeability of the seal SS.
  • the stator ST is biased by means of an elastic element EE such that the restoring force of the elastic element EE acts in the direction of a reduction of the gap width H. Will be in stationary

Abstract

The invention relates to a turbomachine (T) having a compensating piston (BP) that is sealed by means of a seal (SS) with respect to a stator (ST). Conventional compensating pistons consume significant amounts of process fluid (PF), which can cause a considerable loss of efficiency. The invention provides the solution in that the stator (ST) partially carrying the seal (SS) is designed to be axially moveable in the housing (CAS) such that the permeability of the seal (SS) can be changed in this way.

Description

Beschreibungdescription
Turbomaschine mit einem AusgleichskolbenTurbomachine with a balance piston
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit einem Ausgleichskolben, welcher Ausgleichskolben mindestens einen Wellenabsatz an einem sich entlang einer Maschinenachse erstreckenden Rotor und eine Dichtung aufweist, welche Dichtung einen Spalt zwischen dem Rotor und einem Stator abdichtet, so dass eine an einer ersten Seite der Dichtung angrenzende Kavität im Betrieb einen um einen Differenzdruck über die Dichtung unterschiedlichen Druck haben kann als auf der anderen Seite der Dichtung, wobei der Wellenabsatz an die Kavität angrenzt.The invention relates to a turbomachine with a balancing piston, which compensating piston has at least one shaft shoulder on a rotor extending along a machine axis and a seal, which seal seals a gap between the rotor and a stator, so that a cavity adjacent to a first side of the seal may have a different pressure in the operation by a differential pressure on the seal than on the other side of the seal, wherein the shaft shoulder adjacent to the cavity.
Bei Turbomaschinen, beispielsweise Dampfturbinen, Gasturbinen oder Verdichtern, insbesondere Axial- und Radialverdichtern, entsteht in Folge der Entspannung oder Verdichtung des Prozessfluids über dem Impeller eine Druckdifferenz, die anliegend an angrenzenden Flächen des Rotors einen axialen Schub des Rotors bewirkt. Dieser Axialschub ist von den Betriebsbedingungen der Turbomaschine abhängig und kann auch in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen in unterschiedliche Richtungen wirken. Je nach Differenzdruck und denIn turbomachinery, such as steam turbines, gas turbines or compressors, in particular axial and radial compressors, arises as a result of relaxation or compression of the process fluid above the impeller, a pressure difference, which causes an axial thrust of the rotor adjacent to adjacent surfaces of the rotor. This axial thrust is dependent on the operating conditions of the turbomachine and can also act in different directions depending on the operating conditions. Depending on the differential pressure and the
Flächenverhältnissen des Rotors ist der Axialschub eine beträchtliche Kraft, welche bei ausschließlicher Gegenkraft durch ein Axiallager eine erhebliche Baugröße desselben bedingt. Daher weisen Turbomaschine regelmäßig einen sogenannten Ausgleichskolben auf, welcher derArea ratios of the rotor, the axial thrust is a considerable force, which in the case of exclusive counterforce by a thrust bearing of the same requires a considerable size. Therefore turbo machine regularly have a so-called balance piston, which of the
Schubkompensation dient. Dieser ist regelmäßig derart ausgebildet, dass ein noch geringer Schub in eine bestimmte Richtung bei allen Betriebsbedingungen verbleibt, so dass keine Lastwechselreaktionen erfolgen und der Rotor in einem etwaigen Axialspiel nicht hin und her bewegt wird.Thrust compensation is used. This is regularly designed so that a small thrust remains in a certain direction under all operating conditions, so that no load change reactions take place and the rotor is not moved back and forth in any axial play.
Ausgleichskolben weisen regelmäßig mindestens einen Wellenabsatz auf, wobei sie häufig als sich radial erstreckende Scheibe an dem Rotor ausgebildet sind und eine Wellendichtung angrenzend an dem mindestens ein Wellenabsatz den Rotor zu einem Stator abdichtet. Die häufigste Bauform ist die erwähnte Scheibenform, so dass auf den beiden Flanken bzw. Wellenabsätzen, die durch die Scheibe definiert sind unterschiedliche Drücke den erforderlichen Axialschub zur Kompensation erzeugen. Angrenzend an den Wellenabsatz bzw. die Wellendichtung und den Stator ist eine Kavität ausgebildet, in der ein erster Druck eines Prozessfluids vorherrscht, der sich von einem zweiten Druck jenseitig der Kavität und um einen Differenzdruck über die Wellendichtung unterschiedlich von dem ersten Druck unterscheidet. Der auf den Wellenabsatz wirkende erste Druck resultiert mit der Fläche des Wellenabsatzes in einer Kraft, die entsprechend dimensioniert den Axialschub zumindest teilweise kompensiert und dementsprechend die Aufgabe der axialen Lagerung der Welle um den Betrag der Kompensationskraft erleichtert.Balancing pistons regularly have at least one shaft shoulder, often being considered to be radial extending disc are formed on the rotor and a shaft seal adjacent to the at least one shaft shoulder seals the rotor to a stator. The most common design is the mentioned disc shape, so that on the two flanks or wave heels, which are defined by the disc different pressures produce the required axial thrust for compensation. Adjacent to the shaft shoulder or the shaft seal and the stator, a cavity is formed, in which a first pressure of a process fluid prevails, which differs from a second pressure on the other side of the cavity and a differential pressure across the shaft seal differently from the first pressure. The first pressure acting on the shaft shoulder results with the surface of the shaft shoulder in a force which, correspondingly dimensioned, at least partially compensates for the axial thrust and accordingly facilitates the axial bearing of the shaft by the amount of the compensating force.
Um eine Druckdifferenz über die Wellendichtung des Ausgleichskolbens dauerhaft aufrecht zu erhalten, ist es erforderlich, Prozessfluid durch eine Ausgleichsleitung der Kavität zuzuführen oder aus dieser abziehen, da herkömmliche Wellendichtungen stets eine signifikante Leckage aufweisen. Die durch die Ausgleichsleitung strömende Menge an Prozessfluid kann einen signifikanten Betrag haben und den Wirkungsgrad erheblich verringern. Dieser Effekt wird schlimmer, wenn die Wellendichtung an dem Ausgleichskolben durch Erosion oder Anstreifen an dem Stator verschlissen ist und dementsprechend die Lässigkeit zunimmt.In order to permanently maintain a pressure difference across the shaft seal of the balance piston, it is necessary to supply process fluid through a compensation line of the cavity or withdraw from this, since conventional shaft seals always have a significant leakage. The amount of process fluid flowing through the equalization line can be significant and significantly reduce the efficiency. This effect becomes worse when the shaft seal on the balance piston is worn by erosion or streaking on the stator and, accordingly, the slackness increases.
Aus dem europäischen Patent EP 1 418 341 Bl ist bereits ein System zum Ausgleich axialen Schubs bekannt mit einem Ausgleichskolben, der nur im Bedarfsfall mit einem Druck zum Schubausgleich beaufschlagt wird, wobei im Normalbetrieb der Schubausgleich mittels der allfälligen Wellendichtungen an den Durchtritten durch das Gehäuse erfolgt, so dass im Normalbetrieb keine Versorgung des Ausgleichskolbens mit Prozessfluid erforderlich ist. Die Erfindung hat es sich ausgehend von den oben genannten Problemen zur Aufgabe gemacht, den an dem Ausgleichskolben entstehenden Verlust an Prozessfluid zu reduzieren und so den Wirkungsgrad der Maschine zu verbessern.A system for compensating axial thrust is already known from the European patent EP 1 418 341 Bl with a compensating piston, which is acted upon only in case of need with pressure for thrust compensation, wherein in normal operation the thrust balance by means of the possible shaft seals at the passages through the housing , so that in normal operation no supply of the balance piston with process fluid is required. The object of the invention, on the basis of the abovementioned problems, is to reduce the loss of process fluid occurring at the compensating piston and thus to improve the efficiency of the machine.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Stator derart geführt beweglich ausgebildet ist, dass der Spalt sich vergrößern und verkleinern lässt. Aufgrund der geführt beweglichen Ausbildung des Stators kann eine an die aktuellen Betriebsbedingungen der Turbomaschine angepasste Spaltweite eingestellt werden, die geringer ist, als diejenige, welche bei anderen Betriebsbedingungen erforderlich ist, so dass der Differenzbetrag der durch den Ausgleichskolben strömenden Menge an Prozessfluid eingespart wird zu Gunsten einer Wirkungsgradverbesserung.To achieve the object, the invention proposes that the stator is designed to be movable in such a way that the gap can be increased and decreased. Due to the guided moveable design of the stator, a gap width adapted to the current operating conditions of the turbomachine can be set which is lower than that required under other operating conditions so that the difference in amount of process fluid flowing through the balance piston is saved an improvement in efficiency.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Stator mit einer Fläche an die Kavität angrenzt und derart ausgebildet ist, dass er sich in Abhängigkeit desAn advantageous development of the invention provides that the stator is adjacent to the cavity with a surface and is designed such that it depends on the
Drucks in der Kavität derartig verlagert, dass sich der Spalt vergrößert oder verkleinert. Diese Ausbildungsform eröffnet die Möglichkeit, eine an den Druck in der Kavität automatisch angepasste Spaltweite der Dichtung an dem Ausgleichskolben zu realisieren ohne weitere Aktuatoren, die den Stator bewegen oder einer komplizierten Regelung.Pressure in the cavity displaced so that the gap increases or decreases. This embodiment opens up the possibility of realizing a gap width of the gasket on the balance piston which is automatically adapted to the pressure in the cavity without any further actuators moving the stator or a complicated regulation.
Mit Vorteil kann der Stator ein elastisches Element aufweisen, welches in Abhängigkeit von der Position im Rahmen der geführten, bevorzugt axialen Verschieblichkeit eine Rückstellkraft erzeugt, die dem Druck in der Kavität entgegenwirkt. Je nach den Druckverhältnissen in der Kavität und auf der gegenüberliegenden Seite des Ausgleichskolbens wirkt die Kraft aus dem elastischen Element auf den Stator in die gleiche oder entgegen gesetzte Richtung der Kraft aus dem Druck in der Kavität auf den Stator. Zweckmäßig kann dieses elastische Element derart ausgebildet sein, dass sich zu jedem Druck in der Kavität ein zu dem Betriebszustand, der zu diesem Druck gehört, passender Spalt einstellt. Die Spaltaufweitung bzw. Spaltverringerung kann besonders einfach dadurch erzeugt werden, dass der sich in Umfangsrichtung um die Maschinenachse erstreckende Ringraum des Spaltes in axialer Richtung nicht parallel zur Maschinenachse erstreckt, sondern schräg dazu und die Verschieblichkeit des Stators in axiale Richtung geführt ist. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass der Spalt sich verändern lässt, ohne eine Variation der involvierten Bauteile hinsichtlich ihrer Umfangsabmessungen . Hierbei sind die den Spalt begrenzenden Oberflächen des Rotors und des Stators jeweils als Konus ausgebildet. Der Konus des Rotors und des Stators können zueinander unterschiedlicheAdvantageously, the stator may have an elastic element which, depending on the position within the scope of the guided, preferably axial displaceability, generates a restoring force which counteracts the pressure in the cavity. Depending on the pressure conditions in the cavity and on the opposite side of the balance piston, the force from the elastic element acts on the stator in the same or opposite direction of the force from the pressure in the cavity to the stator. Appropriately, this elastic element may be designed such that adjusts to each operating pressure in the cavity a matching to the operating condition, which belongs to this pressure, matching gap. The gap widening or gap reduction can be produced particularly simply by the fact that the annular space of the gap extending in the circumferential direction about the machine axis does not extend parallel to the machine axis in the axial direction, but is guided obliquely thereto and the displaceability of the stator in the axial direction. This design has the advantage that the gap can be changed without a variation of the components involved in terms of their circumferential dimensions. Here, the gap limiting surfaces of the rotor and the stator are each formed as a cone. The cone of the rotor and the stator can be different from each other
Konuswinkel aufweisen, was in bestimmten Betriebsbereichen positive Effekte auf die Rotorstabilität haben kann.Cone angle, which may have positive effects on the rotor stability in certain operating areas.
Besonders zweckmäßig erweist sich eine Ausgleichsleitung zu der Kavität zur Zuführung oder Abführung von Prozessfluid, um einen für den Betriebszustand vorteilhaften Druck in der Kavität einzustellen. Jenseits der Kavität kann diese Ausgleichsleitung in ein Druckreservoir des Prozessfluids oder eine Drucksenke oder Absaugung münden und besonders vorteilhaft ist in der Ausgleichsleitung ein Regelventil vorgesehen, mittels dessen eine definierte Druckdifferenz über das Regelventil anwendbar ist. Das Regelventil ermöglicht die Regelung des Druckes in der Kavität über eine Steuerung der zu- oder abströmenden Menge an Prozessfluid.Particularly expedient proves a compensation line to the cavity for the supply or discharge of process fluid to adjust an advantageous for the operating pressure in the cavity. Beyond the cavity, this compensation line can open into a pressure reservoir of the process fluid or a pressure sink or suction, and particularly advantageously a control valve is provided in the equalization line, by means of which a defined pressure difference across the control valve is applicable. The control valve allows the regulation of the pressure in the cavity via a control of the inflowing or outflowing amount of process fluid.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann besonders vorteilhaft der Wirkungsgrad einer Turbomaschine, insbesondere eines Verdichters erhöht werden, indem nach einem Startvorgang der Turbomaschine im stationären Betrieb die durch die Ausgleichsleitung strömende Menge anWith the device according to the invention, the efficiency of a turbomachine, in particular of a compressor, can be increased in a particularly advantageous manner by virtue of the quantity flowing through the equalizing line after starting the turbomachine in steady-state operation
Prozessfluid mittels des Regelventils soweit reduziert wird, wie es das verbleibende Spiel der Dichtung an dem Ausgleichskolben erlaubt. Zweckmäßig sind das elastische Element, der Stator und die Schrägstellung der Dichtung derart aufeinander abgestimmt, dass eine Reduktion der durch die Ausgleichsleitung und die Dichtung fließenden Menge an Prozessfluid mittels des Regelventils eine Verringerung der Spaltweite der Dichtung zur Folge hat. Umgekehrt ist es sinnvoll, wenn sich bei einer Erhöhung der durch die Ausgleichsleitung fließenden Menge an Prozessfluid auch die Spaltweite in der Dichtung an dem Ausgleichskolben vergrößert .Process fluid is reduced by the control valve as far as it allows the remaining clearance of the seal on the balance piston. Appropriately, the elastic Element, the stator and the inclination of the seal coordinated so that a reduction of the flowing through the equalization line and the seal amount of process fluid by means of the control valve has a reduction in the gap width of the seal result. Conversely, it makes sense if, with an increase in the amount of process fluid flowing through the compensation line, the gap width in the seal on the compensation piston also increases.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläutert. Das Ausführungsbeispiel dient lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung, wobei sich dem Fachmann aus der vorliegenden Beschreibung und insbesondere aus beliebiger Kombination der in den Patentansprüchen erwähnten Merkmale weitere Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung eröffnen. Es zeigt:In the following the invention is explained with reference to a specific embodiment with reference to a drawing. The exemplary embodiment merely serves for a better understanding of the invention, with those skilled in the art from the present description and in particular from any combination of the features mentioned in the patent claims opening up further embodiments of the invention. It shows:
Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Turbomaschine mit Ausgleichskolben in einem Längsschnitt.Figure 1 is a schematic representation of the turbomachine according to the invention with balancing piston in a longitudinal section.
Figur 1 zeigt einen Verdichter bzw. eine Turbomaschine T mit einem Gehäuse CAS und einem Rotor R, der sich entlang einer Maschinenachse X erstreckt. Der Rotor R weist einen Impeller IMP auf - hier das Laufrad eines Zentrifugalverdichters -, mittels dessen ein Prozessfluid PF unter einer Rotation mit der Drehzahl n des Rotors R von einem ersten Druck pl auf einen höheren zweiten Druck p2 verdichtet wird. DasFIG. 1 shows a compressor or a turbomachine T with a housing CAS and a rotor R which extends along a machine axis X. The rotor R has an impeller IMP - here the impeller of a centrifugal compressor - by means of which a process fluid PF is compressed under a rotation with the rotational speed n of the rotor R from a first pressure pl to a higher second pressure p2. The
Prozessfluid PF tritt zu diesem Zweck in das Gehäuse CAS durch eine Einströmung IN ein und verlässt das Gehäuse durch eine Abströmung EX. Bevor das Prozessfluid PF durch die Abströmung EX das Gehäuse CAS verlässt, sammelt es sich teilweise in einem Druckraum PCH. Angrenzend an den Druckraum ist der Rotor R mit einem Ausgleichskolben BP versehen. Der Ausgleichskolben BP hat im Wesentlichen eine Scheibenform, welche mit der flächigen Ersteckung senkrecht zur Maschinenachse X erstreckt, dementsprechend also einen ersten Wellenabsatz RSl, der hier an den Druckraum PCH angrenzt und einen zweiten Wellenabsatz RS2, der an eine Kavität CH angrenzt .Process fluid PF enters for this purpose in the housing CAS by an inflow IN and leaves the housing by an outflow EX. Before the process fluid PF leaves the housing CAS through the outflow EX, it partially collects in a pressure chamber PCH. Adjacent to the pressure chamber, the rotor R is provided with a balancing piston BP. The balance piston BP has a substantially disc shape, which with the flat Aussteckung perpendicular to Machine axis X thus extends, accordingly, a first shaft shoulder RS1, which here adjoins the pressure chamber PCH, and a second shaft shoulder RS2, which adjoins a cavity CH.
Ein Spalt zwischen dem Ausgleichskolben BP und einem im Gehäuse CAS geführt axial beweglichem Stator ST ist mittels einer als Wellendichtung - hier als Labyrinthdichtung ausgebildeten - Dichtung SS abgedichtet, so dass eine Druckdifferenz entsteht zwischen dem Druck p2 in derA gap between the compensating piston BP and an axially movable stator ST in the housing CAS is sealed by means of a seal SS designed as a shaft seal - in this case as a labyrinth seal, so that a pressure difference arises between the pressure p 2 in the
Druckkammer PCH und dem Druck p3 in der Kavität CH, die gegeneinander abgedichtet sind. Damit diese Druckdifferenz ΔPBD trotz der Lässigkeit der Dichtung SS erhalten bleibt, ist eine Ausgleichsleitung BPL vorgesehen. Zur Abfuhr überströmenden Prozessfluids PF, das von der Druckkammer PCH zu der Kavität CH über die Dichtung SS strömt ist die Ausgleichsleitung BPL, mit einer Drucksenke verbunden, die hier der Eintritt IN in das Gehäuse CAS ist.Pressure chamber PCH and the pressure p3 in the cavity CH, which are sealed against each other. So that this pressure difference .DELTA.PBD is maintained despite the permeability of the seal SS, a compensation line BPL is provided. For discharge overflowing process fluid PF, which flows from the pressure chamber PCH to the cavity CH via the seal SS, the compensation line BPL is connected to a pressure sink, which here is the inlet IN into the housing CAS.
Es kann auch der Fall vorgesehen sein, dass dieIt may also be the case that the
Ausgleichsleitung mit einem Druck-Reservoir verbunden ist, falls die Druckdifferenz ΔPBD über den Ausgleichskolben BP umgekehrt orientiert ist (beispielsweise bei einer anderen Ausrichtung des Impellers) .Compensation line is connected to a pressure reservoir, if the pressure difference .DELTA.PBD on the balance piston BP is reversely oriented (for example, in a different orientation of the impeller).
Die Ausgleichsleitung BPL ist mit einem Regelventil CF versehen, über welches ein Druckunterschied ΔPCV erzeugt wird abhängig von der Stellung des Regelventils CF.The equalizing line BPL is provided with a control valve CF via which a pressure difference ΔPCV is generated depending on the position of the control valve CF.
Ein Teil der Dichtung SS ist an dem Stator ST angebracht, der geführt axial beweglich ausgebildet ist, wobei der zu dichtende Spalt GP zu der Maschinenachse X schräg verläuft. Auf diese Weise bildet die von dem Spalt GP definierte räumliche Geometrie einen Konus, der sich in Umfangsrichtung um die Maschinenachse X konzentrisch erstreckt. Da es sich bei der Turbomaschine T dieses Ausführungsbeispiels um einen Zentrifugalverdichter bzw. Verdichter handelt, und der Ausgleichskolben BP auf der Seite des höheren Drucks des Impellers IMP angeordnet ist, so dass die Druckkammer PCH gegenüber der Kavität CH einen höheren Druck aufweist, ist es zweckmäßig, wenn eine Verschiebung des Stators ST in Richtung der Kammer mit dem niedrigeren Druck (hier Kavität CH bzw. p3) eine Vergrößerung des Spaltes GP bzw. der Spaltweite H bewirkt und in der Folge also eine höhere Lässigkeit der Dichtung SS verursacht. Der Stator ST ist mittels eines elastischen Elementes EE derart vorgespannt, dass die Rückstellkraft des elastischen Elementes EE in Richtung einer Verringerung der Spaltweite H wirkt. Wird im stationärenA part of the seal SS is attached to the stator ST, which is guided guided axially movable, wherein the gap to be sealed GP to the machine axis X is inclined. In this way, the spatial geometry defined by the gap GP forms a cone that extends concentrically circumferentially about the machine axis X. Since the turbomachine T of this embodiment is a centrifugal compressor, and the balancing piston BP is on the higher pressure side of FIG Impeller IMP is arranged so that the pressure chamber PCH with respect to the cavity CH has a higher pressure, it is advantageous if a displacement of the stator ST in the direction of the chamber with the lower pressure (here cavity CH or p3) an enlargement of the gap GP or the gap width H causes and consequently causes a higher permeability of the seal SS. The stator ST is biased by means of an elastic element EE such that the restoring force of the elastic element EE acts in the direction of a reduction of the gap width H. Will be in stationary
Betrieb bei zunächst konstanter Spaltweite H das Regelventil CV gedrosselt, erhöht sich der Druck p3 und ein neuer Gleichgewichtszustand der Anordnung stellt sich ein, derart, dass die Spaltweite H sich in Folge des größeren Schubes auf den Stator ST in Richtung der Druckkammer PCH verringert.Operation at first constant gap width H throttled the control valve CV, the pressure p3 increases and a new equilibrium state of the arrangement adjusts, such that the gap width H decreases in the direction of the pressure chamber PCH due to the greater thrust on the stator ST.
Erfindungsgemäß lässt sich mittels der Regelventilstellung CV der Axialschub aus dem Ausgleichskolben BP einstellen und der Verbrauch an Prozessfluid PF durch die Ausgleichsleitung reduzieren . According to the invention can be adjusted by means of the control valve position CV of the axial thrust from the balance piston BP and reduce the consumption of process fluid PF through the compensation line.

Claims

Patentansprüche claims
1. Turbomaschine (T) mit Ausgleichskolben (BP), welcher Ausgleichskolben mindestens einen Wellenabsatz (RS) an eine sich entlang einer Maschinenachse (X) erstreckenden Rotor und eine Dichtung (SS) aufweist, welche Dichtung (SS) einen Spalt (GP) zwischen dem Rotor (R) und einem Stator (ST) abdichtet, so dass eine an einer ersten Seite der Dichtung (SS) angrenzende Kavität (CH) , die mit Prozessfluid (PF) gefüllt ist, im Betrieb eines um einen Differenzdruck (ΔBP) über die Dichtung (SS) unterschiedlichen Druck haben kann als auf der anderen Seite der Dichtung (SS) , wobei der Wellenabsatz an die Kavität (CH) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (ST) derart geführt beweglich ausgebildet ist, dass der Spalt (GP) sich vergrößern und verkleinern lässt .1. Turbomachine (T) with balancing piston (BP), which balancing piston at least one shaft shoulder (RS) on a along a machine axis (X) extending rotor and a seal (SS), which seal (SS) a gap (GP) between the rotor (R) and a stator (ST) seals so that a on a first side of the seal (SS) adjacent cavity (CH), which is filled with process fluid (PF), in operation by a differential pressure (.DELTA.BP) on the seal (SS) may have different pressure than on the other side of the seal (SS), the shaft shoulder being adjacent to the cavity (CH), characterized in that the stator (ST) is made movable in such a way that the gap ( GP) can be enlarged and reduced in size.
2. Turbomaschine (T) nach Anspruch 1, wobei der Stator ST mit einer Fläche (F) an die Kavität (CH) angrenzt und derart ausgebildet ist, dass er sich in Abhängigkeit des Drucks (p3) in der Kavität (CH) derart verlagert, dass sich der Spalt (GP) vergrößert oder verkleinert.2. turbomachine (T) according to claim 1, wherein the stator ST with a surface (F) adjacent to the cavity (CH) and is designed such that it displaces in dependence of the pressure (P3) in the cavity (CH) so in that the gap (GP) increases or decreases.
3. Turbomaschine (T) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, wobei der Stator (ST) ein elastisches Element (EE) umfasst, welches in Abhängigkeit von der Position eine Rückstellkraft erzeugt. 3. turbomachine (T) according to at least one of the preceding claims 1, 2, wherein the stator (ST) comprises an elastic element (EE), which generates a restoring force in dependence on the position.
4. Turbomaschine (T) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei der Spalt (GP) nicht parallel zu der Maschinenachse (X) verläuft.4. turbomachine (T) according to at least one of the preceding claims 1, 2 or 3, wherein the gap (GP) is not parallel to the machine axis (X).
5. Turbomaschine (T) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Ausgleichsleitung (BPL) in die Kavität (CH) mündet, mittels derer Prozessfluid (PF) der Kavität (CH) zuführbar oder aus der Kavität (CH) abführbar ist.5. turbomachine (T) according to at least one of the preceding claims 1 to 4, wherein a compensation line (BPL) opens into the cavity (CH), by means of which process fluid (PF) of the cavity (CH) fed or discharged from the cavity (CH) is.
6. Turbomaschine (T) nach mindestens dem vorhergehenden Anspruch 5, wobei ein Regelventil (CV) in der Ausgleichsleitung (BPL) ist, mittels dessen die Zufuhr an Prozessfluid (PV) oder die Abfuhr von Prozessfluid (PV) einstellbar ist.6. turbomachine (T) according to at least the preceding claim 5, wherein a control valve (CV) in the compensation line (BPL), by means of which the supply of process fluid (PV) or the removal of process fluid (PV) is adjustable.
7. Turbomaschine (T) nach mindestens dem vorhergehenden Ansprüchen 3 und 6, wobei die Position des Stators (ST) in seiner axialen Beweglichkeit mittels des Regelventils (CV) im Betrieb einstellbar ist. 7. turbomachine (T) according to at least the preceding claims 3 and 6, wherein the position of the stator (ST) in its axial mobility by means of the control valve (CV) is adjustable during operation.
EP10703824A 2009-02-05 2010-01-20 Turbomachine having a compensating piston Withdrawn EP2394029A2 (en)

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