NO780120L - Akselpakning. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en pakning for aksler

i roterende maskiner, og sjpesielt et pakningssystem som danner en sikker tetning overfor svingende tilstander i en gass der svingningene kan være fra et vakuum til et betydelig overtrykk.

Pakningssystemer som anvender "væske/gass" pakninger for å hindre arbeidsmedier under høyt trykk i en roterende maskin, f.eks. en turbin eller kompressor, i å unnvike rundt akselen til områder med lavere trykk eller til atmosfæren blir anvendt kommersielt i ganske stor utstrekning. Uttrykket "væske/ gass" pakningen slik det her benyttes, angår generelt pakningssystemer som benytter et medium under trykk til å .danne en.tetning mot arbeidsmediene slik at disse hindres i å komme inn i .et område med lavere trykk. Det skal påpekes at uttrykket "væske/ gass" også skal innbefatte "væske/gass" anordninger som er i stand til å gi de samme resultater.

Ved noen anvendelser der det gjelder gass, er det viktig at tetningsfluidet holdes isolert fra gassen. For å oppnå den ønskede fullstendige adskillelse blir et lite volum av arbeidsgassen innført mellom denne og tetningsfluidet for å

danne en pute eller barriere. Barrieregassen har et trykk som bare er såvidt høyere enn trykket på tetningsfluidet for å sikre at tetningsfluidet ikke forurenser arbeidsgassen.

Ved noen anvendelser kan dessuten innløpstrykket for arbeidsgasse variere fra et vakuum til et forholdsvis betydelig overtrykk. I alminnelighet blir barrieregassen innført i et område av den roterende maskin der trykket er forholdsvis høyt.

Fra innføringspunktet flyter barrieregassen aksielt i motsatte retninger langs maskinens «.ksel. I den ene strømningsretning skaper gassen barriere mot tetningsfluidet mens den i den annen strømningsretning stort sett går tilbake til innløpet eller et annet lavtrykksområde i maskinen for å bli blandet med arbeidsgassen. Vanligvis blir labyrintpakninger eller andre liknende strømningsbegrensende pakninger innskutt mot innføringsområdet og innløpet og områdene ved tetningsfluidbarrieren for å begrense den mengde barrieregass som kreves til å skape den ønskede fluidbarriere.

Ved anvendelser der innløpstrykket kan variere fra vakuum til et forholdsvis betydelig overtrykk har imidlertid de typiske barrieregassanordninger av den beskrevne art ikke vist seg å være helt ut tilfredsstillende." .' ...

I tidligere kjente anordninger vil, hvis mengden av barrieregass som tilføres barriereområdet fastlegges når inn-løpstrykket er under vakuumtilstand, en for stor mengde barrieregass bli tilført til barriereområdet når innløpstrykket når opp til et forholdsvis betydelig overtrykk.I tillegg til dette..har man når gassens innløpstrykk øker, en mulighet for at lavere trykk ved barriereområdet vil føre til strøm av arbeidsgass mot innføringsstedet for tetningsfluidet, noe som kan skape problemer, f.eks. en størkning av tetningsfluidet. Det omvendte er også tilfellet,slik at hvis mengden av.barrieregass som tilføres i innføringsområdet bestemmes når innløpstrykket er et forholdsvis betydelige overtrykk, vil det være temmelig synlig at

en utilstrekkelig mengde barrieregass vil flyte til barriereområdet når innløpstrykket settes ned, hvorved tetningsfluidet får anledning til å blande seg med en kanskje forurenset arbeidsgass.

Variasjonene i strømmen mot barriereområdet skyldes hovedsakelig variasjonene i arbeidsgassens innløpstrykk. Når innløpstrykket faller og i noen tilfelle nærmer seg eller blir et vakuum, får man en økning i strømmen av barrieregass fra innføringsområdet til lavtrykksområdet på grunn av den betydelige trykkforskjell mellom disse. Hvis tilførselen av barrieregass til innføringsområdet bestemmes når arbeidsgassens innløpstrykk er et forholdsvis betydelig overtrykk og strøm av gass til innføringsområdet holdes konstant, vil man ha utilsiktet strøm av barrieregass til barriereområdet når innløpstrykket faller. Også her er det omvendte tjLlfellet siik at når innløpstrykket øker, vil trykkforskjellen mellom innføringsområdet og området som arbeider ved innløpstrykket avta og bevirke en tilsvarende reduksjon i strømmen av barrieregass til dette område. Hvis tilførselen av barrieregass til innføringsområdet holdes konstant vil det oppstå en resulterende økning i strømmen av barrieregass til barriereområdet. Da barrieregassen blandes med tetningsfluidet.i barriereområdet, vil den gass som danner bar-rieren bli forurenset. En for stor strøm av barrieregass til barriereområdet vil derfor redusere virkningsgraden for driften av det system der det roterende maskineri benyttes.

En hensikt med oppfinnelsen er derfor å komme frem

til en,forbedret akselpakning som kan anvendes i roterende maskineri som arbeider under trykk.

En annen hensikt med' foreliggende oppfinnelse er å kunne opprettholde en minimumstrøm av barrieregassen til et barriereområde uansett trykkforandringer i et område som har forholdsvis lavt trykk og som står i forbindelse med innførings-sonen for barrieregass.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å komme frem til et fornuftig nivå for strømmen av barrieregass og allikevel opprettholde en virksom barriere som hindrer tetningsfluidum i å forurense en arbeidsgass også når trykket på arbeidsgassen kan variere fra et vakuum til et forholdsvis betydelig overtrykk ved innløpet til en roterende maskin.

Det er også en hensikt med foreliggende oppfinnelse

å styre forandringen i strømmen av barrieregass til et barriereområde og å regulere strømmen av barrieregass til et innførings-område for å holde barrieregassens strømningshastighet til barriereområdet på stort sett minimumnivå.

Dette er oppnådd ved foreliggende oppfinnelse som er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk, og oppfinnelsen vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningen der: Fig. 1 viser et delvist snitt gjennom et bruddstykke av en roterende maskin med akselpakningen utført i henhold til oppfinnelsen og

fig. 2 er en skjematisk gjengivelse av tetningssystemet på fig. 1.

Tegningen viser en foretrukken utførelsesform for oppfinnelsen, og på figuren viser like henvisningstall til like deler. Som vist på fig. 1 er endeveggen 10 i en roterende maskin, f.eks. en kompressor eller en turbin forsynt med en åpning som en roterbar aksel går gjennom. Akselen bærer maskinens bevegelige komponenter. Akselen.strekker seg i akseretningen fra et høytrykksområde i maskinen, generelt angitt med 12, til et lavtrykksområde som er generelt angitt med 13. Vanlig-vis ligger lavtrykksområdet på atmosfæretrykket, men trykket kan være høyere eller lavere uten at dette er av noen betyd-ning for oppfinnelsen. Hensiktsmessige pakningsdeler, f.eks. en labyrintpakning 16, omgir akselen 11 ved høytrykksområdet 12. Den funksjon pakningsdelen 16 har vil'bli beskrevet nærmere i det følgende.

Den roterende maskin 9 har ytterligere pakningsdeler.

Disse pakningsdeler innbefatter ringformede statordeler 22 og 23 som er anbrakt i endeveggens åpning og ligger inntil hverandre. En pakning for gassiden er generelt betegnet med 20 og sitter i statoren, rundt akselen 11. Pakningen på gassiden innbefatter en sylindrisk hylseliknende bøssing 24 som omgir akselen med en klaring og en rampeseksjon 25 som strekker seg skrått fra den sylindriske hylse, og som går over i en radielt rettet flens 26 under en flensliknende del 27 av statordelen 23-Den indre oppbygning av statordelene er formet for å passe til formen av pakningene på gassiden. Som det vil bli forklart mer i detalj i det følgende blir olje under trykk-til-ført et periferielt omløpende spor 33 gjennom en oljeinnløps-kanal 35 som stikker gjennom endeveggen 10.

Et par.O-ringer 38 og 39 er anbrakt på motstående sider av flensen 26 på gasspakningen og.tjener til å hindre høytrykksoljen i å sive mellom statordelene 22 og 23- En rekke ikke viste tapper som sitter fast i statordelen 23 stikker ned i horisontale spor i omkretsen av flensen 26 for å hindre

denne pakning i å rotere,samtidig med at pakningen får anledning til å "flyte" både aksialt og radialt.

Under drift blir høytrykksoljen som holdes på et trykk noe over arbeidstrykket på arbeidsgassen, innført i kanalen 33 og brakt i kontakt med akselen over hylsen 19 i det område som er.generelt betegnet med 31»

Høytrykksoljen i„.området 31 flyter aksialt i motsatte retninger langs akselen 11. Oljen som strømmer mot høytrykks-området 12 virker som en barriere som hindrer arbeidsgass i å lekke rundt akselen til områder med lavere trykk. Høytrykks-oljen som beveger seg langs akselens overflate mot lavtrykks-siden for den roterende maskin, passerer gjennom en rekke, ned-brytningspakninger i form av frittflytende hylser 40 og 41. Disse hylser er.jevnt fordelt og i flukt med akselen bak gass-sidepakningen. Det finnes tilstrekkelig avstand mellom innsiden av nedbrytningspakningene og akselens ytre omkrets til at trykket"i strømmen blir periodisk og ensartet nedsatt når strømmen beveger seg inn i lavtrykksområdet. Nedbrytningspakningene er anbrakt i ringformede statorer ''45 og 46 som sitter i akselåpningen. Som vist på fig. 1 er statorene montert i flukt og i anlegg med den sisté stator i rekken, slik at statoren 46 berører utsiden av statoren 22 for gassidepakningen. Nedbryt-ningspakningenes stator holdes fast mot aksial bevegelse i akselåpningen ved hjelp av en låsering 57 som sitter ved den venstre side av endeveggen. Oljen som passerer den side av nedbrytningshylsene tas vekk gjennom en oljeledningskanal 50

i maskinens endevegg. Kanalen 50 fører olje til et hensikts-messig samlested (ikke vist).

Under noen anvendelser kan høytrykksoljen som flyter mot høytrykksområdet 12 blande seg med arbeidsgassen uten uheldig innvirkning på denne. Ved andre anvendelser.er det imidlertid av største viktighet at oljen hindres i å blande seg med og i å forurense arbeidsgassen. Ved slike anvendelser blir et barrierefluidum innført via en innløpskanal 58 for barrieregassen og også denne kanal befinner seg i endeveggen. Barrierefluidet er som regel arbeidsgass som holdes på et trykk noe over arbeidsgassens trykk og også noe over trykket på tetningsoljen.

Barrieregassen innføres i et høytrykksinnførings-område eller en sone 60 hvorfra gassen flyter aksialt i motsatte retninger langs akselen 11. Gassen som strømmer mot lavtrykksområdet 13 bremses av labyrintpakningen 66 som befinner seg ved skilleornrådet 6l der motsatt strømmende barrieregass og tetningsolje møter hverandre.

Trykket på barrieregassen som strømmer inn i .skilleornrådet hindrer tetningsolje i å passere inn i høytrykkssonen der oljen kanskje kan forurense arbeidsgassen. Barrieregassen danner således en barriere ved skillet mellom oljen og gassen slik at oljen hindres i å strømme forbi skilleområdet.

Barrieregassen som flyter aksialt mot høytrykksom-rådet 12 passerer gjennom labyrintpaknihgen 16. Det skal påpekes at labyrintpakningen 16 ér lenger enn pakningen 66. På denne måte vil barrieregassen som passerer pakningen 16 bli begrenset i større grad enn den gass som strømmer gjennom pakningen 66.

Ved noen anvendelser vil undertrykket holde seg konstant, mens innløpstrykket for arbeidsgassen på andre felt kan variere fra vakuum til et forholdsvis betydelig overtrykk. Ved anvendelser av denne art har variasjonene i innløpstrykket skapt problemer når det gjelder å få til en effektiv drift av barrieregassystemet. Hvis f.eks. tilførselen av barrieregass som er nødvendig for å opprettholde en effektiv barriere er blitt bestemt med vakuum ved innløpet, oppstår det problemer når innløpstrykket øker vesentlig. Med trykkforskjell mellom innføringsområdet for barrieregass og det område som arbeider med innløpstrykket, forholdsvis liten vil strømmen gjennom labyrintpakningen som er dannet mellom de nevnte områder være minimal. Hvis, under slike betingelser, mengden av barrieregass som tilføres innløpssonen holdes konstant vil man få en økning i strømmen av barrieregass mot barriereområdet. Siden denne gass blir forurenset når den blandes med tetningsfluidet i barrieresonen blir den arbeidsgass som anvendes som barrierefluidum ubrukelig, hvorved virkningsgraden for hele systemet avtar.

Hvis derimot tilførselen av barrieregass til innløps-området bestemmes når innløpstrykket er et betydelig overtrykk vil man når innløpstrykket faller og trykkforskjellen mellom innføringssonen og den sone som arbeider med eller nær undertrykket eller innløpstrykket øker, få en resulterende økning i strømmen av barrieregass mot denne lavtrykkssone og en reduksjon i strømmen av barrieregass mot barriereområdet. Under slike forhold kan den mengde gass som passerer til barriereområdet være utilstrekkelig til å skape det nødvendige trykk som hindrer tetningsfluidet i -å passere inn i høytrykksområdet i den roterende maskin og der blande seg med og forurense arbeidsgassen.

Under henvisning til fig. 2 vil virkemåten for tetningssystemet i henhold til oppfinnelsen bli forklart i detalj. Tetningsoljen inneholdes i en lagertank 80 og føres via en ledning 8l, til oljeinnløpskanalen 35 (vist på fig. 1). Tet-ningsolj en blir deretter ført til området 31>hvorfra den flyter aksialt i motsatte retninger langs akselen 11, via pakningene 40, 41 og 20. For å sikre at tilstrekkelig olje vil bli tilført pakningene til at de ønskede væskebarrierer dannes er mengden av olje som tilføres via ledningen 81 større enn det det egent-lig er behov for for tetningen. Den overskytende olje omledes gjennom en ledning 83 som ender i et par parallelle ledninger 84. 85- Hver av de parallelle ledninger -har■en strømningsregu-lerende dyse 86, 87. En av dysene, f.eks. dysen 87 i ledningen 85, har en trykkpåvirket strømningsregulerende ventil 88-koplet

i serie. De strømningsregulerende dyser opprettholder strømmen av olje gjennom pakningene 20, 40 og 4l på ønskede nivåer. Ved lavt tetningsoljetrykk vil begge dyser 86 og 87 sikre tilstrekkelig oljestrøm gjennom pakningene. Ved høyere trykk vil en av dysene, f.eks. dysen 87, bli satt ut av virksomhet ved lukning av ventilen 88. Det trykk ved hvilket ventilen 88 vil lukke blir bestemt av strømningskapasiteten i tetningsoljesystemet.

Tetningsoljen som flyter gjennom pakningen 20 til barriereområdet tappes fra dette område gjennom et spor 90 for forurenset gass, og dette spor løper gjennom maskinens endevegg (se fig. 1). Sporet 90 ender i en ledning 91 som er vist , på fig. 2. Et signal som kan angi trykket i ledningen 91 over-føres til en tank 80. Når en lagertank 80 heves, vil trykket på oljen som strømmer gjennom ledningen 81 alltid ligge høyere enn trykket i barriereområdet.

Barrieregass tilføres innløpssporet 58 og innførings-området 60 via en ledning 92 som har en trykkstyrt strømnings-regulerende ventil 93- Virkningen av ventilen 93 blir forklart mer inngående i det følgende.

Fra innføringsområdet 60 strømmer barrieregassen aksialt i motsatte retninger langs akselen 11. Som forklart tidligere er labyrintpakningen 16 lenger enn pakningen 66 og vil derved begrense strømmen av gass mot området 12 i en større utstrekning enn pakningen 66 gjør i sin begrensning av gass-strømmen mot barriereområdet 6l, som er dannet av skillet mellom tetningsoljen og barrieregassen. Som man vil se er det viktig at barrieregassens strøm mot barriereområdet er tilstrekkelig til å holde gasstrykket høyere enn oljetrykket for å hindre olje i å strømme i en motsatt retning gjennom pakningen 66,

det vil si fra barriereområdet mot innføringsområdet 60. Ved å sørge for en større begrensning mellom områdene 60 og 12 vil en betydelig del av barrieregassen som innføres i området 60 passere til barriereområdet.

Barrieregassen i barriereområdet vil blandes med tetningsoljen, og den vil bli tatt ut fra den roterende maskin gjennom sporet 90 og ledningen .91. Ledningen 91 ender i et par ledninger 94, 95 som hver har en strømningsregulerende dyse, henholdsvis 96 og 97- En trykkpåvirket strømregulerende ventil 98 står i serie med en av dysene, f.eks. dysen 95. Ved lavt trykk i ledningen 95 vil begge være i virksomhet mens ventilen 98 ved høyere trykk vil lukke og stenge strømmen gjennom dysen 97-.

En ledning 99 danner forbindelse mellom ventilen 93

og ledningen 91. Ventilen 93 vil derved bli påvirket av trykket i ledningen 91 for. forurenset blanding.

Hvis trykket ved området 12 skulle falle og tilstanden nærme seg vakuumtilstander, vil trykkforskjellen mellom områdene 60 og 12 øke og søke å drive en større del av barrieregassen mot området 12 med en resulterende reduksjon i strømmen av gass mot barriereområdet. Den derved følgende reduksjon i trykket i ledningen 91 vil bli overført til ventilen .93 og sørge for å åpne denne for føring av en større mengde barrieregass til innføringsområdet 60. Omvendt, hvis trykket i området 12 øker, vil trykkforskjellen over pakningen 16 bli redusert med en dermed følgende større'strøm av gass flytende gjennom pakningen 66 til barriereområdet. Den økede strøm av barrieregass vil øke trykket i ledningen 91, mens ledningen 99 overfører det nye trykksignal til ventilen 93 og bringer ventilen til å redusere strøm av gass til innføringssonen 60.

Tetningssystemet som her er beskrevet justerer således for forandringer i innløpstrykket i en roterende maskin og sikrer derved tilstrekkelig tilførsel av barrieregass med minimal overskytende strøm av denne. Ved å variere strømmen av gass til innføringssonen 60 vil strømmen a-v barrieregass mot barriereområdet forbli stort sett konstant uansett forandringer i trykket i området 12.

Claims (4)

1. Akselpakning av den type som skal hindre et arbeids-medium under trykk i en roterende maskin (9) i å unnvike til omgivelser med forholdsvis lavt trykk (13)»karakterisert ved en første begrensningsanordnihg (66) anbrakt mellom et høytrykksområde (60) og et første område (6l) som arbeider ved et forholdsvis, lavere, stort sett konstant trykk, andre begrensningsanordninger (16) anbrakt mellom det nevnte høytrykksområde (60) og et andre område .(1-2) som arbeider ved varierende lavere trykk , hvilken andre begrensningsanordning (16) danner en strømningsbegrerrsning med større verdi enn den første begrensningsanordning (66), ledningsanordninger (92, 58) som avgir et barrierefluidum til høytrykksområdet (60) der fluidum vil flyte aksialt i motsatte retninger langs akselen (11) til det første (6l) og det andre (12) område, hvilken fluidumstrøm mot det annet område (12) er mer begrenset enn strømmen av fluidum mot det første.område (6l), og anordninger (91j 99) for reguleringen av endringer i strømmen av barrierefluidum gjennom det første (61) og andre (12) område på grunn av forandringer i arbeidstrykket i det andre område (12), innbefattende ventil-anordninger (93) som står i ledningsanordningene (92, 58) og er koplet til reguleringsanordningene (91j 99) for å regulere strømmen av barrierefluidum mot det nevnte høytrykksområde (60), slik at strømmen av fluidum mot det første område (66) holdes stort sett konstant uavhengig av forandringer i arbeidstrykket i det annet område (12).

2. Akselpakning som angitt i krav 1, karakterisert ved midler (80, 8l, 35) til fremføring av et tetningsfluidum til et tredje område (31) i den roterende maskin (9), der den første begrensningsanordning (66) er anbrakt mellom høytrykksområdet (60) og det tredje område (31)5 hvilket andre fluidum flyter aksialt langs akselen (11) mot den første begrensningsanordning (60), idet det trykk som utvikles av barrierefluidet som flyter gjennom den første begrensningsanordning (66) hindrer tetningsfluidet i å flyte inn i den første begrensningsanordning (66).

3> Akselpakning som angitt i krav 2, karakterisert ved at tappingsmidler (90, 91) anbrakt mellom den første begrensningsanordning (66) og det tredje område (31) for å motta barriere- og tetningsfluider og for å videreføre den samlede strøm av disse til et lagringskar, hvilke av-tappingsmidler har ledninger (9^, 95) med et par strømnings-regulerende dyser (96, 97) anbrakt i parallell for å regulere strømmen av fluidum til lagringstanken, og trykkfølere (98,) som skal stanse strømmen av fluidum gjennom en bestemt av dysene (97) når trykket i barrierefluidet overstiger en på forhånd bestemt størrelse.

4. Fremgangsmåte til å hindre arbeidsmedier i en roterende maskin (9) i å unnvike til omgivelser med forholdsvis lavt trykk, karakterisert ved tilførsel av et første fluidum til en innføringssone (60), hvilket fluidum flyter aksialt i begge retninger langs akselsen (11) for den roterende maskin (9) fra et område (60) med forholdsvis høyt trykk til områder (6l, 12) med ét forholdsvis lavt trykk, begrensning (66, 16) av strømmen av fluidum i hver retning langs akselen, der fluidet som strømmer i en retning (12) er begrenset (16) i høyere grad enn det fluidum som flyter i den motsatte retning (6l), variering av arbeidstrykket på. nedstrømsiden av begrensningen (16) som finnes i strømningsbanen for det fluidum som flyter i den nevnte ene retning (12), hvorved mengden av fluidum.som flyter gjennom begrensningen (16) vil variere omvendt med forandringer i arbeidstrykket, opprettholdelse av trykket stort sett konstant på nedstrømsiden av begrensningen (66) som finnes i strømningsbanen for det fluidum som flyter i den nevnte motsatte retning (61), hvorved mengden av fluidum som passerer gjennom vil variere omvendt med mengden av fluidum som flyter i den nevnte ene retning, regulering (99) av forandringen i strømmen av fluidum gjennom begrensningene (16, 66) som et resultat av forandringer i arbeidstrykket, og variering (93) av mengden av fluidum som tilføres til nevnte høytrykks-område (60) i overensstemmelse med de regulerte forandringer i fluidumstrømmen gjennom begrensningene (16, 66) for å holde mengden av fluidum som flyter i den nevnte motsatte retning i det vesentlige konstant.