NO175990B - Sperrevæske-tetningsanordning for akseltetning i en turbokompressor - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en sperrevæske-tetningsanordning for akseltetning i en turbokompressor, særlig i en høytrykks-turbokompressor, med en aksialt tettende, fjærbelastet glidering på gassiden, en aksialt tettende, fjærbelastet glidering på atmosfæresiden, idet begge disse er fast anordnet i et hus, og en rotorring som er forbundet med akselen og har overfor hverandre liggende tetteflater, hvilke er tilordnet glideringene med deres tetteflater, idet glideringene er tilordnet hvert sitt sperrevæskerom som på utsiden av rotorringen står i forbindelse med hverandre gjennom en ringkanal, idet glideringen på atmosfæresiden avtetter det tilordnede sperrevæskerom mot atmosfæren, mens glideringen på gassiden holdes av et tettesystem som omgir akselen, og avtetter det tilordnede sperrevæskerom mot gassrommet, og idet de to sperrevæskerommene tilhører en lukket sperrevæskekrets med pumpe og kjøler. En slik anordning er kjent fra CH-PS 340106.

Den kjente sperrevæske-tetningsanordning som danner utgangs-punkt for oppfinnelsen arbeider med flytende ringtetninger. Flytende ringtetninger er radialspaltetetninger med klaring mellom den roterende aksel og de tetningsringer som er forbundet med tetningshuset, men som er radialt bevegelige. I samsvar med hensikten til en sperrevæske-tetningsanordning er trykket i sperrevæsken større enn det gasstrykket som det skal tettes mot. Trykkforskjellen er i de kjente innretninger liten, og ligger for eksempel ved 0,5 bar. Den er liten for å holde den indre lekkasjemengden ved tetningsringen på gass-siden liten. Radialspalten ved den ytre tetningsringen er slik dimensjonert at den danner den nødvendige sperrevæske-strøm som kjølemiddelstrøm for kjøling av tetningsringen på gass-siden. Denne kjølemiddelstrøm er omtrent proporsjonal med tetningstrykket. Dette betyr at en optimal kjøling bare oppnås for et bestemt trykkområde og at dette kan medføre begrensninger for turbokompressorer som arbeider i et stort trykkområde. Dessuten er ved høyere trykk reguleringen av trykkforskjellen mellom sperrevæsken og gassen som det skal tettes for vanskelig, fordi trykkforskjellen er meget liten i sammenligning med gasstrykket som det skal tettes mot. Reguleringen skjer ved fortrykksstyring og indirekte trykkforskjellsregulering ved regulering av væskenivået for sperrevæsken i en høy beholder. Den oppnådde trykkforskjell er proporsjonal med den geodetiske høyden til sperrevæskemengden i beholderen i forhold til akselen til turbokompressoren. Sperrevæsken settes under trykk ved hjelp av høytrykkspumper og avlastes til atmosfæretrykk i radialspalten til den ytre flytende ring. Den sperrevæskemengden som lagres i beholderen må være så stor at det ved bortfall av sperrevæsketilførsel muliggjøres en styrt nedkjøring av turbokompressoranlegget. Ved stillstand av anlegget under trykk må sperrevæskeanlegget holdes i drift. Sperrevæske-systernet er for så vidt et åpent system. Forøvrig er de beskrevne trekk kompliserte.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en sperrevæske-tetningsanordning som er mye enklere konstru-ert, som arbeider med små lekkasjemengder og som muliggjør regulering av trykkforskjellen på en enkel måte, og særlig ved høye trykk og tilsvarende tapsytelse.

Sperrevæske-tetningsanordningen i henhold til oppfinnelsen kjennetegnes ved at glideringen på atmosfæresiden holdes aksialt og radialt bevegelig, med en funksjonsspalt i forhold til huset, av sekundær-elementer i form av henholdsvis en ring som påvirkes av fjærer, henholdsvis i form av en O-ring, idet glideringtetningen på atmosfæresiden oppviser et flateforhold i området fra 0,45 til 0,60 mellom den flaten som aktiveres av trykket i sperrevæsken og tetteflaten, idet glideringene og rotorringen består av et materiale med en elastisitetsmodul som er lik eller større enn 250.000 N/mm<2>og med en varmeledningsevne som er lik eller større enn 70 W/m °K, idet funksjonsspalten som glideringen på atmosfæresiden danner i forhold til den tilordnede husdel er avtettet av en foranliggende O-ring uten sentreringsvirkning, og at for sentrering er O-ringen mellom huset og glideringen anordnet mot innsiden av glideringen.

Det tettesystemet som glideringen på gassiden er tilordnet omfatter fortrinnsvis en foldebelg. Det kan imidlertid også benyttes andre tettesysterner, f.eks. med O-ring og fjær-elementer.

Med kombinasjonen av de ovenfor nevnte trekk er det oppnådd et fremmedtrykkuavhengig, væskesperret dobbelt tetningssystem for turbokompressorer, og særlig for høytrykks-turbokompressorer. Dette er også avhengig av tilpasning av flatene og material-ene. Ved at flateforholdet ligger i området 0,45 til 0,60, bestemmes de ytre krefter som virker på aksialspalten, innbe-fattet fjærkreftene, som befinner seg i likevektstilstand med de hydrodynamiske krefter som er dannet i tettefilmen av sperrevæske. SpaltetykkeIsen til arbeidsspalten bestemmer lekkasjeforholdene. Disse kan også reguleres ved høye trykk-forskjeller, fra f.eks. 300 bar og mere, slik at lekkasje-væskemengden går mot null når omdreiningstallet går mot null eller det inntreffer stillstand. Reguleringen kan dessuten være slik at ved omdreiningstall som under like trykkbetinge1-ser tilsvarer f.eks. 100 m/sek. i periferihastighet, vil lekkasjemengden for en vanlig sperreolje ikke overskride 50 l/time. Temperaturene i denne tettespalte vil under disse betingelser ligge lavere enn 130 °C, slik at sperreoljen ikke utsettes for en skadelig temperaturpåvirkning. Oppfinnelsen bygger dessuten på den erkjennelse at det angitte flateforhold i området fra 0,45 til 0,60 særlig kan holdes tilstrekkelig nøyaktig til bruk ved høye trykk når det som materialer i glideringene og rotorringen, som angitt, benyttes materialer med høy E-modul. Ellers kunne diameteren til tetteflåtene fjære inn i forhold til den såkalte aktive diameter til huset under påvirkning av ytre trykk, slik at funksjonsspalten innsnevres i for stor grad. Funksjonsspalten vil vanligvis ha en spaltetykkelse på 0,15 mm. For å opprettholde den angitte temperatur på maksimalt 13 0 °C er også de øvrige trekk i henhold til oppfinnelsen som angår varmeledningsevnen og dannelsen av varmevekslerflåtene av betydning. Ettersom funk-sjonsdyktigheten til sperrevæske-tetningsanordningen opprett-holdes under alle driftsforhold og ved de angitte, høye trykk, skjer på den beskrevne måte avtetningen av funksjonsspalten og sentreringen av tetteringen på atmosfæresiden uavhengig av hverandre.

I henhold til oppfinnelsen har glideringene og rotorringen en varmeledningsevne som er lik eller større enn 70 W/m °K. For å oppnå en tilstrekkelig kjøling ved hjelp av sperrevæsken oppviser i det minste rotorringen og eventuelt glideringene på siden mot rotorringen en forstørret varmeoverføringsoverflate. Av samme grunn er den frie ytre overflaten til rotorringen og glideringene som vender mot sperrevæsken omtrent 15 ganger større enn tetteflaten på glideringen på atmosfæresiden.

I sperrevæske-tetningsanordningen i henhold til oppfinnelsen er tetningen på gassiden en glideringtetning med lave lekkasjeverdier, og som fortrinnsvis arbeider i området med blandet friksjon. Tetningen på atomosfæresiden er en aksial-spaltetetning, med tetteflater som i dynamisk tilstand er adskilt ved hjelp av en hydrodynamisk dannet væskefilm. Blandet friksjon foreligger når det befinner seg en bærende smørefilm i tettespalten, og når filmen er avbrutt på visse steder. Foruten egenskapene til smøremidlet begynner også glideegenskapene til kombinasjonen av glidematerialer å påvirke friksjonsforholdene og friksjonskoeffisienten. Ved væskefriksjon med en hydrodynamisk dannet væskefilm bestemmes friksjonskoeffisienten utelukkende av den dynamiske viskositet til smøremidlet. Den lekkasjemengde som strømmer til utsiden kan benyttes for funksjonskontroll av hele systemet. Den kan hele tiden holdes så liten at de øvrige reguleringsinnret-ninger som befinner seg i systemet aldri overskrider de reguleringsområder som sikrer driften. Sperrevæskekretsen er lukket. Dette betyr at sperrevæsken holder seg på tettetrykk-nivået. Den pumpes av en sirkulasjonspumpe, som må overvinne strømningsmotstandene i det lukkede kretsløp. Tapsytelsen til tetningen fjernes av kjøleren. Den meget lille, regulerbare lekkasjemengde som strømmer ut av den lukkede sperrevæskekrets gjennom aksialspalten til glideringene erstattes med visse mellomrom ved hjelp av en liten tilførselspumpe.

De oppnådde fordeler ligger hovedsakelig i at i sperrevæske-tetningsanordningen i henhold til oppfinnelsen er lekkasjemengden mye mindre enn i den innledningsvis beskrevne utførelse med flytende ringtetninger. Derved muliggjøres uten problemer drift med en lukket sperrevæskekrets, og reguleringen av trykkforskjellen kan utføres på en enkel måte. Systemet er i sin helhet enkelt, fordi høye beholdere og sperrevæske-pumper med høy ytelse samt de vanlige reguleringsventiler for trykkforskjell ikke mer er nødvendige. Dette medfører også at det oppnås en betydelig energibesparelse. Kjølingen av tetningen er uavhengig av trykknivået. En særlig fordel er dessuten de små indre lekkeasjemengder og tetningen under stillstand. Glideringene og rotorringen kan uten videre fremstilles av materialer med lang brukstid. Dersom det benyttes de angitte materialer eller materialkombinasjoner, utsettes glideringene og rotorringen praktisk talt ikke for slitasje.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere ved hjelp av et utførelseseksempel vist på de vedføyde tegninger. Fig. 1 viser skjematisk en turbokompressor med en sperrevæske-tetningsanordning i henhold til oppfinnelsen. Fig. 2 viser, i vesentlig større målestokk enn figur 1, et aksialsnitt gjennom den venstre del av sperrevæske-tetningsanordningen i fig. 1. Fig. 3 viser, i enda større målestokk, tetningsanordningen i fig. 2 mere detaljert med hensyn til den konstruktive oppbygning.

Sperrevæske-tetningsanordningen vist i figurene omfatter en aksialt tettende glidering 1 på gassiden og en aksialt tettende glidering 2 på atmosfæresiden, og begge disse er fast anordnet i et hus 3. Anordningen omfatter dessuten en rotorring 5 som er forbundet med akselen 4 og har overfor hverandre liggende tetteflater, hvilke er tilordnet glideringene 1, 2 med deres tetteflater. Glideringene 1, 2 er tilordnet hvert sitt sperrevæskerom 6, 1. De to sperrevæskerommene 6, 7 står på utsiden av rotorringen 5 i forbindelse med hverandre gjennom en ringkanal 8. Glideringen 2 på atmosfæresiden avtetter det tilordnede sperrevæskerom 6 mot atmosfæren. Glideringen 1 på gassiden avtetter det tilordnede sperrevæskerom 7 mot gassrommet. De to sperrevæskerommene 6, 7 tilhører en lukket sperrevæskekrets 9 med pumpe 10 og kjøler 11. Pumpen 10 kan også arbeide som pumperotor sammen med rotorringen 5, og vil i såfall inngå i tetningsanordningen. Det fremgår av fig. 2 at glideringen 1 på gassiden holdes av en foldebelg 12 som omgir akselen 4. Glideringen 2 på atmosfæresiden holdes aksialt og radialt bevegelig ved hjelp av hjelpeelementer i form av fjærer 13 og O-ringer 14. De indre lekkasjemengder av sperrevæsken ledes gjennom en ledning

23 til en utskiller 24. Etter eventuell behandling føres

. denne lekkasjemengden til tanken 16. De ytre lekkasjemengder av sperrevæsken føres gjenom en ledning 15 til tanken 16. Sperrevæskemengden i sperrevæskekretsen etterfylles ved hjelp av en tilførselspumpe 17 og en trykkomvandler 18. Trykkomvandleren 18 påvirkes på den ene siden av gassen som det skal tettes for og en ikke vist, regulerbar fjær og på den annen side av sperrevæsken i sperrevæskekretsen. Ved regulering av fjæren kan trykket i sperrevæskekretsen og dermed trykkforskjellen mellom sperrevæsken og gassen som det skal tettes for bestemmes. Trykkomvandleren 18 er samtidig utformet som sperrevæskebeholder. Trykkforskjellen mellom gassen som det skal tettes for og sperrevæsken oppnås i trykkomvandleren 18. Trykkomvandleren 18 består av en trykksylinder 19 i hvilken et stempel 2 0 er anordnet aksialt bevegelig. Den ene siden av stempelet 2 0 påvirkes av

sperrevæsken og den andre siden av gassen som det skal tettes for. På gassiden virker en fjærkraft i tillegg til gasstrykket. Dette bevirker en trykkforskjell mellom sperrevæsken og gassen. Trykkforskjellen holdes i et forutbestemt område, og er uavhengig av trykknivået. Ettersom trykkomvandleren 18 samtidig er sperrevæskebeholder, muliggjøres også ved bortfall av energitilførselen til tilførselspumpen en regulert nedkjøring av turbokompressoren og lengere stillstand under trykk.

Tetningsanordningen som er vist i fig. 3 er gitt de samme henvisningstall som er benyttet i forbindelse med fig. 1 og 2.

Figuren viser dessuten funksjonsspalten F, tetningsspalten D og flaten Al og A2. Tetningsspalten D har spaltetykkeIsen h. For de elementer som fremgår av fig. 3 gjelder de samme til-pasninger og de tallmessige parametre som er nevnt ovenfor. Tilførselen av sperrevæske og bortførselen av sperrevæske er antydet ved hjelp av piler 21. Lekkasjevæsken kan føres bort ved 22.

Claims (2)

1. Sperrevæske-tetningsanordning for akseltetning i en turbokompressor, særlig i en høytrykks-turbokompressor, med en aksialt tettende, fjærbelastet glidering (1) på gassiden, en aksialt tettende, fjærbelastet glidering (2) på atmosfæresiden, idet begge disse er fast anordnet i et hus (3), og-en

rotorring (5) som er forbundet med akselen (4) og har overfor hverandre liggende tetteflater, hvilke er tilordnet glideringene (1, 2) med deres tetteflater, idet glideringene (1, 2) er tilordnet hvert sitt sperrevæskerom (6, 7) som på utsiden av rotorringen (5) står i forbindelse med hverandre gjennom en ringkanal (8), idet glideringen (2) på atmosfæresiden avtetter det tilordnede sperrevæskerom (6) mot atmosfæren, mens glideringen (1) på gassiden holdes av et tettesystem (12) som omgir akselen, og avtetter det tilordnede sperrevæskerom (7) mot gassrommet, og idet de to sperrevæskerommene (6, 7) tilhører en lukket sperrevæskekrets (9) med pumpe (10) og kjøler (11),karakterisert ved at glideringen (2) på atmosfæresiden holdes aksialt og radialt bevegelig, med en funksjonsspalt (F) i forhold til huset (3), av sekundær-elementer i form av henholdsvis en ring (13b) som påvirkes av fjærer (13a), henholdsvis i form av en O-ring (14), idet glideringtetningen (2) på atmosfæresiden oppviser et flateforhold i området fra 0,45 til 0,60 mellom den flaten (Al) som aktiveres av trykket i sperrevæsken og tetteflaten (A2), idet glideringene (1, 2) og rotorringen (5) består av et materiale med en elastisitetsmodul som er lik eller større enn 250.000 N/mm<2> og med en varmeledningsevne som er lik eller større enn 70 W/m °K, idet funksjonsspalten (F) som glideringen (2) på atmosfæresiden danner i forhold til den tilordnede husdel (3) er avtettet av en foranliggende O-ring (25) uten sentreringsvirkning, og at for sentrering er 0--ringen (14) mellom huset (3) og glideringen (2) anordnet mot innsiden av glideringen (2).

2. Sperrevæske-tetningsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den frie ytre overflaten til rotorringen (5) og glideringene (1, 2) er omtrent 15 ganger større enn tetteflaten (A2) på glideringen (2) på atmosfæresiden.