WO2019052755A1 - Adaptive gasdichtung als feststoffdichtung an maschinenwellen - Google Patents

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WO2019052755A1
WO2019052755A1 PCT/EP2018/071893 EP2018071893W WO2019052755A1 WO 2019052755 A1 WO2019052755 A1 WO 2019052755A1 EP 2018071893 W EP2018071893 W EP 2018071893W WO 2019052755 A1 WO2019052755 A1 WO 2019052755A1
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WO
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seal
shaft
actuator
gas seal
sealing ring
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/071893
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Inventor
Moritz Ackermann
Mario Koebe
Christian Lyko
Uwe Steinmeyer
Markus Wysgol
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3464—Mounting of the seal
    • F16J15/3472—Means for centering or aligning the contacting faces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member

Definitions

  • the invention relates to a gas seal between the shaft and housing of a machine, in particular hydrogen-cooled generator.
  • Hydrogen-cooled generators are protected at the penetration of the generator rotor through the front-side housing walls by means of a contactless shaft seal against escaping hydrogen gas.
  • pressurized oil film which is formed by a continuous flow of oil through the sealing gap.
  • ⁇ nde ⁇ stakes in the sealing gap by different temperature conditions, as well as operating conditions lead to a change in oil pressure, which is a potential risk due to escaping What ⁇ hydrogen gas.
  • the volume flow is increased or reduced by the oil supply unit, so that ultimately the tightness of the shaft seal is ensured. Since the size of the gap influences the required volumetric flow exponentially, very large volume flows and changes are necessary for this, which has a detrimental effect on the dimensioning of the oil supply.
  • segmented shaft seals completely close the sealing gap in the event of a completely failing oil supply, via changed pressure conditions and / or restoring elements, so that a contacting shaft seal is present in this case.
  • seals are used only in cylindrical areas of the rotor.
  • the seal is rigid in axia ler direction connected to the housing.
  • a Dichtspaltände ⁇ tion on abrasive layers in the sealing area can not be compensated.
  • DE200109219 a measuring system for monitoring the tightness of a contactless gas seal is already described.
  • the invention is based on the problem of specifying a gas seal in which different thermal expansions of sealing ring and shaft but also the abrasion of layers in the sealing area are compensated.
  • the invention realizes a solid gasket as an adaptive gas seal on rotating shafts over a conical waveband.
  • a gasket connected to the housing with conical sealing surface cooperates with the conical portion of the shaft, wherein there is an active influence on the axial positioning of the gasket to the conical portion of the shaft.
  • FIG. 1 shows a gas seal according to the invention between the shaft and the housing of a machine
  • the rotor 1 is provided in the sealing area with a conical shape 2.
  • the gasket 4 in this area also has a conical shape.
  • the seal is not firmly connected to the housing, but is guided in a sealing ring receptacle 5, which in turn can be moved via an actuator 8 in the axial direction.
  • the actuator can be given by a spring, a servomotor, a stepper motor, a hydraulic element or a piezoelectric actuator.
  • the contact point of the seal can be adjusted by active influencing ⁇ solution by means of an actuator to a predetermined contact pressure. This is done by axial displacement of the sealing ring.
  • the solid seal there is a frictional engagement between the seal and the shaft in the cone region.
  • the solid seal can be moved either via an actuator but also by spring force in the axial direction so that it always sits flush on the cone. Wear of the seal by friction are then compensated immediately by the axial advancement of the sealing ring.
  • the spring force tinctswei ⁇ se, the force with which the actuator forces the seal in the axial direction of the shaft need only be so great that the desired sealing effect is achieved unnecessary to create a lot of friction without.
  • the sealing ring can always optimally adapt to the radial movements of the shaft / rotor even with the cone shape according to the invention.
  • the conical portion of the shaft preferably has a Win ⁇ angle of about 15 degrees relative to the shaft axis.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mechanical Sealing (AREA)
  • Sealing Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine adaptive Gasdichtung als Feststoffdichtung an der drehenden Welle eines Wasserstoffgekühlten Generators. Eine mit dem Gehäuse verbundene Dichtung mit konischer Dichtfläche wirkt mit dem konischen Wellenbereich als Feststoffdichtung zusammen. Die Dichtung ist in axialer Richtung der Welle mittels eines Aktuators verschiebbar. Der Aktuator drückt die Dichtung in axialer Richtung auf die Welle mit einer Kraft, die nur so groß ist, dass die gewünschte Dichtwirkung erreicht wird ohne unnötig viel Reibung zu erzeugen. Eine Abrasion von Schichten im Dichtbereich aber auch über unterschiedliche thermische Ausdehnung von Dichtring und Welle kann bei der konusförmigen Geometrie über die axiale Verschiebung ausgeglichen werden.

Description

Beschreibung
Adaptive Gasdichtung als Feststoffdichtung an Maschinenwellen
Die Erfindung betrifft eine Gasdichtung zwischen Welle und Gehäuse einer Maschine, insbesondere Wasserstoff-gekühlten Generator . Wasserstoffgekühlte Generatoren werden an der Durchdringung des Generatorläufers durch die stirnseitigen Gehäusewände mit Hilfe einer kontaktlosen Wellendichtung vor austretendem Wasserstoffgas geschützt. Diese dichtet den Spalt zwischen Läu¬ fer und Dichtung, im Folgenden Dichtspalt genannt, nach dem Prinzip der Sperröldichtung mit Hilfe eines
druckbeaufschlagten Ölfilms ab, der durch einen kontinuierlichen Ölvolumenstrom durch den Dichtspalt gebildet wird. Ände¬ rungen im Dichtspalt durch unterschiedliche Temperaturzustände, aber auch Betriebszustände führen zu einer Änderung des Öldrucks, was ein potentielles Risiko durch austretendes Was¬ serstoffgas darstellt.
Um einen gleichbleibenden Druck im Ölfilm zu gewährleistet, wird durch das Ölversorgungsaggregat der Volumenstrom vergrö- ßert beziehungsweise reduziert, so dass letztendlich die Dichtigkeit der Wellendichtung gewährleistet wird. Da die Größe des Spaltes den erforderlichen Volumenstrom exponenti- ell beeinflusst, sind hierfür sehr große Volumenströme und Änderungen nötig, was sich bei der Dimensionierung der Ölver- sorgung nachteilig bemerkbar macht.
Alternativ schließen segmentierte Wellendichtungen bei komplett ausfallender Ölversorgung selbständig über geänderte Druckverhältnisse und/oder Rückstellelemente den Dichtspalt komplett, so dass eine berührende Wellendichtung in diesem Fall vorliegt.
Bisher werden Dichtungen nur in zylinderförmigen Bereichen des Rotors eingesetzt. Die Dichtung ist dabei starr in axia- ler Richtung mit dem Gehäuse verbunden. Eine Dichtspaltände¬ rung über abrasive Schichten im Dichtbereich kann nicht ausgeglichen werden. In dem Patentdokument DE200109219 ist bereits ein Messsystem zur Überwachung der Dichtigkeit einer kontaktlosen Gasdichtung beschrieben.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Gasdichtung anzugeben, bei der unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Dichtring und Welle aber auch die Abrasion von Schichten im Dichtbereich ausgeglichen werden.
Das Problem wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung realisiert eine Feststoffdichtung als adaptive Gasdichtung an drehenden Wellen über einen konischen Wellenbereich .
Gemäß der Erfindung wirkt eine mit dem Gehäuse verbundene Dichtung mit konischer Dichtfläche mit dem konischen Bereich der Welle zusammen, wobei eine aktive Beeinflussung der axialen Positionierung der Dichtung zum konischen Bereich der Welle gegeben ist.
Eine Abrasion von Schichten im Dichtbereich aber auch über unterschiedliche thermische Ausdehnung von Dichtring und Wel¬ le kann bei der konusförmigen Geometrie über eine axiale Ver¬ schiebung ausgeglichen werden. In vorteilhafter Weise erübrigt sich gegenüber der herkömmlichen Sperröldichtung bei der Erfindung der Aufwand für die Ölversorgung, umfassend das Ölversorgungsaggregat, Pumpen, Ventile, Kühler, Filter, Rohr¬ leitungen et cetera. Dies trägt zu einem wettbewerbsfähigen Produkt, insbesondere Turbogenerator, bei.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig 1 eine erfindungsgemäße Gasdichtung zwischen der Welle und dem Gehäuse einer Maschine
Der Läufer 1 ist im Dichtungsbereich mit einer konischen Form 2 versehen. Die Dichtung 4 in diesem Bereich hat ebenfalls eine konische Form. Die Dichtung ist allerdings nicht fest mit dem Gehäuse verbunden, sondern ist in einer Dichtringaufnahme 5 geführt, die wiederum über einen Aktuator 8 in axialer Richtung bewegt werden kann. Der Aktuator kann durch eine Feder, einen Stellmotor, einen Schrittmotor, ein Hydraulik- element oder ein piezoelektrisches Stellelement gegeben sein.
Der Kontaktstelle der Dichtung kann durch aktive Beeinflus¬ sung mittels Aktuator auf einen vorgegebenen Anpressdruck eingestellt werden. Dies erfolgt durch axiale Verschiebung des Dichtungsrings.
Bei der erfindungsgemäßen Feststoffdichtung gibt es einen Reibschluss zwischen Dichtung und Welle im Konusbereich. Die Feststoffdichtung kann entweder über einen Aktuator aber auch über Federkraft in axialer Richtung so bewegt werden, dass sie immer bündig auf dem Konus sitzt. Abnutzungen der Dichtung über Reibung werden dann über das axiale Nachrücken des Dichtrings sofort ausgeglichen. Die Federkraft beziehungswei¬ se die Kraft, mit der der Aktuator die Dichtung in axialer Richtung auf die Welle drückt, muss nur so groß sein, dass die gewünschte Dichtwirkung erreicht wird ohne unnötig viel Reibung zu erzeugen.
Durch eine schwimmende Lagerung des Dichtrings 4 in der
Dichtringaufnahme 5, wie sie bereits herkömmlich bei der H2- Dichtung in Generatoren angewendet wird, kann sich der Dichtring auch bei der erfindungsgemäßen Konusform immer optimal den radialen Bewegungen der Welle/des Rotors anpassen. Der konische Bereich der Welle weist vorzugsweise einen Win¬ kel von circa 15 Grad gegenüber der Wellenachse 9 auf. Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren .
Bezugs zeichenliste
1 - - Welle, Läufer
2 - - Konus
3 - - Gehäuse
4 - - Dichtring
5 - - Dichtringaufnahme, Dichtringführung
6 - - Dichtspalt, Nennspalt
7 - - Ölstrom, Ölfluss
8 - - Aktuator, Feder
9 - - Wellenachse

Claims

Patentansprüche
1. Gasdichtung zwischen Welle und Gehäuse einer Maschine, bei der
die Welle (1) einen konischen Bereich (2) aufweist, eine mit dem Gehäuse (3) verbundene Dichtung (4) als Feststoffdichtung mit dem konischen Bereich zusammenwirkt ,
die Dichtung in axialer Richtung der Welle mittels eines Aktuators (8) verschiebbar ist,
der Aktuator die Dichtung in axialer Richtung auf die Welle drückt mit einer Kraft derart, dass die gewünschte Dichtwirkung erreicht wird.
2. Gasdichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kraft, nur so groß ist, dass die gewünschte Dichtwirkung erreicht wird.
3. Gasdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktuator durch eine Feder gegeben ist.
4. Gasdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kraft mit der die Dichtung in axialer Richtung auf die Welle gedrückt wird, mittels einer Regelungseinrichtung gere¬ gelt wird.
5. Gasdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dichtung mit einem Dichtring gebildet ist, der in einer Dichtringaufnahme (5) schwimmend gelagert ist, wobei die Dichtung durch den Aktuator über die Dichtringaufnahme ver- schiebbar ist.
6. Gasdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine durch einen Wasserstoff-gekühlten Generator gegeben ist.
7. Gasdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der konische Bereich einen Winkel von circa 15 Grad gegenübe der Welle aufweist.
PCT/EP2018/071893 2017-09-14 2018-08-13 Adaptive gasdichtung als feststoffdichtung an maschinenwellen WO2019052755A1 (de)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1014064A (en) * 1963-09-16 1965-12-22 Trist & Co Ltd Ronald Improvements to shaft seals
US3705728A (en) * 1970-12-03 1972-12-12 Trist Mouldings & Seals Ltd Rotary shaft seals
DE10201611A1 (de) * 2001-01-16 2002-07-18 Atd Gmbh Wellendichtung

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DE10201611A1 (de) * 2001-01-16 2002-07-18 Atd Gmbh Wellendichtung

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