NO831838L - Tetningsanordning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører generelt en tetningsanordning for å forhindre smøremiddellekkasje inn i arbeidskamre til fluidum-rotasjonsanordninger, og mer spesielt tetningsanordninger av typen med klaring.

Fluidum-rotasjonsanordninger, såsom turbiner, benytter en rotor for å tilveiebringe energi ut fra et arbeidsfluidum og å overføre energien fra et arbeidskammer til et brukspunkt. Rotoren består av en roterbar del som dreier seg i forhold til en fast del. Rotoren kan enten være en roterbar aksel for rotasjon i en fast bærer eller et hus, som utstrekker seg aksielt langs og omkretsmessig rundt akselen, eller det kan være et roterbart element, som utstrekker seg aksielt langs og i omkretsretning rundt en fast aksel for rotasjon rundt den faste aksel. Generelt benyttes lagre for å holde rotoren i innretting. Slike lagre blir vanligvis smurt av et væskeformet smøremiddel, som vanligvis er basert på petroleum.

Det er viktig at slike smøremidler hindres i å komme inn i arbeidskammeret til fluidummaskinen og blande seg med ar-beidsf luidumet , da dette ville redusere effektiviteten for energioverføringen fra arbeidsfluidum og vil også resultere i tap av smøremiddel.

For å forhindre smøremiddel i å komme inn i rotasjonsmaskinens arbeidskammer, kan en tetningsanordning bli plassert mellom det smurte lager og arbeidskammeret. En type tetningsinnret-ning er av kontakttypen, hvor tetningsapparatet passer mellom og er i kontakt med såvel de roterende som de faste elementer. Imidlertid vil en slik kontakttetning, også kjent som glidende lager eller skyvelager, vanligvis ikke kunne bli benyttet ved høyhastighetsrotasjonsmaskiner som arbeider med hastigheter ved eller over 1000 omdreininger pr. minutt, fordi slike tetninger ville slites hurtig og/eller smelte sammen med det roterende element på grunn av de høye temperaturer som dannes ved de glidende flater. Ved slike høyhastighetsrotasjonsma-skiner blir det benyttet tetninger av klaringstypen som ikke krever kontakt med en beveget flate, og slike benyttes i sta-dig større utstrekning.

En tetning av typen med klaring omfatter en smal avstand mellom den roterbare og den faste del langs i hvert fall en del av den aksiale lengde. Denne smale avstand er mellom det smurte lager og arbeidskammeret langs en aksial retning. En gass innføres i det smale rom og strømmer mot det smurte lager. Smøremiddel fra lageret som strømmer langs både den roterende og den faste flate forhindres i å gå inn i det smale rom av strømmen av denne tette gass som strømmer ut derfra. Tetningen kan bygges opp mer effektivt med en serie spor i akselflaten som tjener til å minimalisere gasslekkasje ved utøvelsen av en strømningsbegrensning. En slik avtetning hvor det anvendes en rekke spor betegnes generelt som labyrinttetning.

Smøremiddel fra lageret strømmer inn på begge flater, såvel den roterende som den faste, mot tetningsgasstrømmen. Smøre-middel på den roterende flate hindres i å komme inn i det smale rom mellom aksel og hus på grunn av treghetskreftene som oppstår, og slikt smøremiddel vil ved hjelp av tetnings-gasstrømmen bli ført inn i en smøremiddelsamleinnretning som generelt er en avtrapning i huset, hvorfra det kan samles for gjentatt bruk. Imidlertid vil smøremiddel som strømmer på

de ikke roterende eller faste flater ikke hindres av treghetskreftene fra å strømme mot det smale rom, og en liten mengde kan komme inn i det smale rom til tross for tetnings-gasstrømmen. Denne bevegelse ved kapillærvirkning av væskeformet smøremiddel langs den ikke roterende flate kan resultere i at noe smøremiddel.passerer inn i arbeidskammeret til fluidum-rotasjonsmaskinen.

Mens lekkasje av en liten mengde smøremiddel inn i arbeidskammeret ikke behøver å bevirke noen vesentlige vanskeligheter ved noen anvendelser når rotasjonsmaskinen benyttes ved kryogenisk drift, særlig i kryogenisk luftseparasjon, kan en slik smøremiddellekkasje frembringe alvorlige problemer. F. eks. kan slikt smøremiddel stivne ved kolde temperaturer som benyttes og resultere i en redusert varmeoverføring og eventuelt til og med blokerte strømningspassasjer. Videre kan eventuelle anleggstininger bringe smøremidlet gjennom det kryogene anlegg og kan resultere i en smøremiddelutfelling i et område hvor brann eller eksplosjonsfare er vesentlig. Det er derfor ønskelig å tilveiebringe en tetning av klaringstypen for bruk ved høye rotasjonshastigheter i et kryogent anlegg og som i realiteten stopper alt smøremiddel i å komme inn i arbeidskammeret .

Det er derfor en hensikt med oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret tetning av klaringstypen.

Det er videre en hensikt med oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret tetning av klaringstypen som effektivt stopper smø-remiddel på den ikke roterende flate til en rotasjonsmaskin i å strømme ved kapillærvirkning langs den ikke roterende flate forbi tetningen.

De ovenfor nevnte hensikter og ytterligere hensikter vil opp-nås ved en anordning som er kjennetegnet ved det som fremgår av kravene.

Oppfinnelsen vedrører således en tetning for væskeformet smør-ingsmiddel av typen med klaring, som omfatter:

a) en akseldel,

b) en veggdel som utstrekker seg aksielt langs og omkretsmessig rundt akseldelen, idet en av delene er fast og den

andre del er roterbar i forhold til den faste del, hvilke deler er anbragt med liten avstand over i hvert fall en

del av sin aksiale lengde,

c) en smøremiddelsamleinnretning som omfatter en fordypning i veggdelen i strømningsforbindelse med den smale avstandsdel og plassert mellom den smale avstandsdel og en kilde av smøremiddel, d) en innretning for tilførsel av tetningsgass til den smale avstandsdel, slik at en tetningsgasstrøm bevirkes til å

strømme fra det smale avstandssted mot smøremiddelkilden,

og

e) et oleofobt belegg på den faste del i nærheten av smøre-middelsamleinnretningen, hvorved væskeformet smøremiddel

som kommer i nærheten av smøremiddelsamleinnretningen og som strømmer på den faste del bevirkes til å danne dråper som blir innfanget i tetningsgasstrømmen og således i det vesentlige forhindret i å komme inn i den smale avstandsdel.

Uttrykket "smøremiddel" benyttes her til å angi et fluidum som er væske under driftsbetingelser og som benyttes for å redusere friksjon mellom flater. Smøremiddel er generelt et petroleumderivat, men behøver ikke være det og kan være hvilken som helst effektiv friksjonsreduserende væske.

Uttrykket "oleofob" benyttes her til å beskrive et materiale som er i det vesentlige ikke fuktet av smøremiddel og som vil bevirke at smøremiddel som plasseres på det vil bygges opp til dråper under drift og under påvirkning av overflatespenningskrefter. Uttrykket "oleofobt belegg" er ikke begrenset til et belegg som er ikke fuktet av et petroleumbasert fluidum, men omfatter ethvert belegg som ikke fuktes av noe smøremiddel.

Uttrykket "kapillærvirkning eller kapillærbevegelse" benyttes for å beskrive væske som strømmer eller fordeler seg og som er indusert av adhesjonskrefter mellom væske og faststoff-grenseflater.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere ved hjelp av et utførelseseksempel som er fremstilt på tegningen, som viser: fig. 1 et riss av en utførelse av en tetningsanordning ifølge oppfinnelsen, hvor akseldelen er fast og veggdelen* er roterbar, fig. 2 et mer detaljert riss av utførelsen på fig. 1, som viser mer detaljert det oleofobe belegg på akselen og strømmen av smøremiddel og tetningsgass,

fig. 3 et mer detaljert riss av fig. 2, som viser mer detaljert smøremidlet som bringes til å danne dråper når det strøm-mer over det oleofobe belegg og også den etterfølgende inn-fanging av smøremiddeldråpene i tetningsgasstrømmen, og fig. 4 et riss av en annen utførelse av tetningsanordningen ifølge oppfinnelsen hvor akseldelen er roterbar og hvor det olefobe belegg er anordnet på såvel den faste del som den roterende del.

Oppfinnelsen vedrører således en tetning av typen med klaring for bruk i fluidum-rotasjonsinnretninger som benytter en rotor som er roterbar i forhold til et fast element. Det roterbare element kan bringes til å rotere ved energioverføring fra et arbeidsfluidum. Et typisk eksempel .på slik energiover-føring er ekspansjon av en gass. Det roterbare element kan være forbundet til en eller annen type kraftbrukende anordning, såsom en kompressor eller en elektrisk generator, og når det roterbare element roterer, driver det den kraftforbrukende innretning og bevirker at det utføres et arbeide.

Tetningen av typen med klaring ifølge oppfinnelsen skal be-skrives nærmere under henvisning til tegningene.

Fig. 1 viser en fluidumhåndteringsinnretning som drives av ekspanderende gasser og i hvilken akselen er fast og rotoren dreier seg i forhold til den faste aksel. Fluidumhåndterings-innretningen 1 innbefatter en ikke roterende aksel 2 som er forbundet til og bæres av en understøttelse 3. En rotor 4 er opplagret for rotasjon på akselen 2 i huset 7 ved hjelp av avstandsplasserte smurte lagre 5. I den viste utførelse er det bare vist ett lager, selv om fagmannen vil innse at ett eller flere ekstra lagre, såsom aksellager eller trykklager, vanligvis benyttes i slike roterende maskiner.

Arbeidsfluidumet innføres i hjulet 6 til rotoren 4 gjennom innløpsringrommet 8. Hjulet 6 kan også være utstyrt med ring-tetninger for å forhindre arbeidsfluidumlekkasje mellom hjulet og huset 7. Arbeidsfluidum passerer gjennom hjulbladene 9

og strømmer ut i aksialretning ved 10. Når arbeidsfluidum passerer gjennom hjulet 6, blir energi overført til rotoren 4, som bevirkes til å dreie seg og som så kan drive en eller annen type kraftkrevende innretning, såsom en kompressor eller en elektrisk generator.

Opplagringen 5 danner en smal radiell klaring 5a mellom aksel

2 og rotor 4 til hvilken det innføres et flytende smøremiddel gjennom kanalen 11. Smøremiddel strømmer i omkretsretning og aksielt langs akselen i begge retninger fra passasjen eller kanalen 11. Smøremiddel som strømmer i retning av hjulet 6 går ut i oppsamlingsfordypningen 12. Når smøremiddel kommer inn i fordypningen 12, vil sentrifugalkraften som dannes ved den høye rotasjonshastighet for rotoren 4 bevirke at smøre-middel strømmer til den ytterste vegg av fordypningen 12. Derfra passerer smøremidlet gjennom ventilasjonspassasjer 13 og inn i ringkammeret 14, fra hvilket det dreneres.

For å forhindre smøremiddel i å strømme inn i utløpsenden av hjulet 6, er det plassert en tetning 15 mellom opplagringen 5 og hjulet 6. I utførelsen som er vist på fig. 1 er det vist en labyrinttetning. Labyrinttetningen er utformet av en rekke spor i akselen for dannelsen av en begrenset strømningsbane langs grenseflaten mellom aksel og rotor.

Tetningsgass innføres i tetningen ved et punkt mellom endene til tetningen gjennom passasjen 17 som er forbundet med kammeret 18. Gass innføres i tetningen ved et tilstrekkelig trykk, slik at den vil strømme fra kammeret 18 aksielt mot hver ende av tetningen 15 gjennom den avgrensede strømningsbane 16. Tetningsgasstrømmen forhindrer lekkasje av smøremiddel inn i arbeidsfluidumet.

Tetningsgassen kan være hvilken som helst gass som er inert for smøremidlet og ikke bevirker noen eksplosjonsfare og som ikke vil korrodere eller på annen måte skade maskineriet. Eksempler på tetningsgass innbefatter luft, nitrogen, oksygen og argon. Tetningsgass kan også være arbeidsfluidum. I et slikt tilfelle kan tetningsgasstrømmen være en lekkasje mellom aksel og rotor fra hjulutløpet, i hvilket tilfelle passasjen 17 og kammeret 18 ikke nødvendigvis må benyttes.

For å forhindre strømmen ved kappilærvirkning av smøremiddel mot tetningsgasstrømmen langs den stasjonære del, i dette tilfelle akselen, er et flatebelegg 19 av et oleofobt materiale plassert på den stasjonære eller faste del i nærheten av fordypningen 12. Det oleofobe belegg er tilstede i en effektiv tykkelse som er tilstrekkelig til å bevirke at smøremiddel danner dråper når det strømmer på belegget. En effektiv tykkelse kan f. eks. være 0,05 mm.

Det oleofobe belegg kan være et hvilket som helst effektivt materiale som er kjemisk inert for smøremiddel og tetningsgassen som benyttes,og avhengig av det smøremiddel som benyttes kan det oleofobe belegg være f. eks. fluorkarbonharpiks, såsom tetrafluoretylen, fluorert etylpropylen, polytetrafluor-etylen, andre halogenerte polymerer, såsom polyklortrifluor-etylen, poly(vinylfluorid), poly(vinylidenfluorid) polytri-fluoretylen, polyheksafluorpropylen, tetrafluoretylen - heksa-fluorpropylenkopolymer og andre materialer, såsom silikon-filmer, absorberte fosfatestre, bariumstearat og "Silverstone". I praksis kan et hvilket som helst materiale som er vesentlig ikke fuktet av smøremidlet bli benyttet hvis det er kjemisk inert for såvel smøremiddel som tetningsgass.

Tetningen av typen med klaring ifølge oppfinnelsen med anvend-else av oleofobt belegg er videre illustrert på fig. 2 og 3, som er respektive mer detaljerte riss av utførelsen på fig. 1. Nummereringen på fig. 2 og 3 er identisk til den på fig. 1

for de felles elementer.

Det skal nå vises til fig. 2 og 3 hvor smøremiddel strømmer fra opplagringen 5 i retning av pilen 2 0 og går inn i smøre-middelsamlefordypningen 12. Når smøremiddel strømmer på det oleofobe belegg 19 på den del av akselen som vender mot fordypningen 12, vil overflatespenningskrefter bevirke at smøre-midlet danner små kuler eller dråper 21. Hvilken som helst av disse kuler eller dråper som migrerer mot den begrensede strømningsbane 16 blir lett innfanget i tetningsgasstrømmen, som antydet med pilene 22.

I motsetning til den tynne smøremiddelfilm som vil ha en ten-dens til å dannes langs flaten til den faste aksel i fravær av det oleofobe belegg, vil kulene eller dråpene bli utsatt for et relativt målbart trekk av strømmen av tetningsgass inn i smøremiddelsamlefordypningen 12. Friksjonssamvirket mellom tetningsgasstrømmen og smøremiddeldråper eller kuler, også kjent på fagområdet som "Stokes drag", sikrer innfangingen i tetningsgassen.

Bruken av tetningsanordningen ifølge oppfinnelsen reduserer nødvendigheten av en lydavtetningsgasstrøm når den forlater tetningen 15.

Når smøremidlet er utfelt på flaten til fordypningen 12, som er i rotoren 4, vil den høye sentrifugalkraft som dannes ved rotasjon av rotoren 4 bevirke at smøremidlet strømmer gjennom passasjene 13 til et sted hvor de kan samles for gjentatt bruk. For videre å hjelpe til med fjerningen av.smøremiddel fra fordypningen 12, kan rotorflaten til fordypningen 12 også bli belagt med oleofobt msteriale. Dette eventuelle belegg av smøremiddelsamlefordypningens rotasjonsflate er illustrert på fig. 3 med den stiplede linje 23.

Fig. 4 illustrerer en annen utførelse av tetningsanordningen ifølge oppfinnelsen hvor den roterende maskin benytter en roterende aksel i et fast hus. Numereringen på fig. 4 svarer til den på fig. 1 for elementene på fig. 4-utførelsen som svarer til de på fig.. 1.

Under henvisning til fig. 4 er det vist en fluidum-rotasjons-anordning eller en turbin 1, som innbefatter en roterbar aksel 2 som er forbundet med hjulet 6, som begge er understøttet for rotasjon i den faste del 4 av væskesmurte lagre 5. Et arbeidsfluidum strømmer radielt innover gjennom innløpsring-rommet 8 til hjulbladene 9 som er festet til hjulet 6, som bevirkes til å rotere og således dreie akselen 2. Arbeidsfluidum vil føres ut av turbinen i aksial retning 10.

Smøremiddel for lageret 5 innføres gjennom passasjen 11 og strømmer i omkretsretning og aksielt langs akselen 2 i begge retninger fra passasjen 11 og holder således akselen 2 i avstand til delen 4. Smøremiddel som strømmer mot hjulet 6 fra lageret 5 passerer inn i smøremiddelsamlefordypningen 12. Sentrifugalkreftene som dannes av den høye rotasjonshastighet for akselen 2 bevirker at smøremiddel som kan foreligge på akselen 2 blir kastet av akselen 2 og inn i samlefordypningen 12 fra hvilken det dreneres gjennom passasjen 13.

En labyrinttetning 15 er plassert mellom lageret 5 og hjulet 6. Tetningsgass innsprøytes i tetningen mellom endene gjennom passasjen 17. Tetningsgassen strømmer fra kammeret 18 mot hver ende av tetningen gjennom avgrensede strømningsbaner 16 og forhindrer således smøremiddel i å bevege seg forbi tetningen og blande seg med arbeidsfluidum.

Et oleofobt belegg 19 er plassert på et avsnitt av den faste del 4 som omgir akselen 2 i nærheten av smøremiddelsamlefor-dypningen 12. Det oleofobe belegg bevirker at smøremiddel som kan strømme på den faste del ved kapillærbevegelse vil danne dråper og vil lett kunne innfanges i tetningsgasstrøm-men, som det ble beskrevet ovenfor i større detalj i forbind-else med fig. 2 og 3.

Fortrinnsvis er akselflaten motsatt til den belagte faste husflate også belagt med oleofobt belegg 19, og denne foretrukne utførelse er vist på fig. 4. Kombinasjonen av tetningsgasstrømmen slik den kommer fra tetningen 5 og inn i fordypningen 12 og den store sentrifugalkraft som dannes ved den høye rotasjonshastighet for akselen 2 sikrer at smøremid-deldråper som samles på akselen 2 blir radielt ført ut i fordypningen 2 for derpå følgende fjerning gjennom passasjen 13.

Selv om tetningsanordningen ifølge oppfinnelsen er beskrevet i detalj under henvisning til spesielt foretrukne utførelser, er det klart at mange andre utførelser er mulige innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (4)

1. Væsketetningsanordning av typen med klaring, karakterisert ved at den omfatter: a) en akseldel, b) en veggdel som utstrekker seg aksielt langs og rundt om-kretsen av akseldelen, idet en av delene er fast og den andre del er roterbar i forhold til den faste del, hvilke deler er plassert i liten avstand over minst en del av deres aksielle lengde, c) en smøremiddelsamleinnretning som omfatter en fordypning i veggdelen i strømningsforbindelse med den smale avstandsdel og plassert mellom den smale avstandsdel og et forråd av smøremiddel, d) en innretning for tilførsel av tetningsgass til den smale avstandsdel, slik at en tetningsgasstrøm bevirkes til å strømme fra nevnte smale avstandsdel mot forråedet av smøremiddel, og e) et oleofobt belegg på den faste del i nærheten av smøre- middel samle innretningen, hvorved flytende smøremiddel som kommer inn i nærheten av smø remiddelsamleinnretningen og som strø mmer på den faste del bevirkes til å danne dråper som innfanges i tetningsgass-strømmen og således i det vesentlige forhindres i å komme inn i den smale avstandsdel.

2. Tetningsanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at akseldelen er fast og at veggdelen er roter-ber.

3. Tetningsanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at veggdelen er fast og at akseldelen er roterbar .

4.. Tetningsanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det oleofobe belegg også er anbragt på den roterbare del i nærheten av smø remiddelsamleinnretningen.