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Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter umfassend ein Mantelteil, mindestens einen Deckel und eine Befestigung des Deckels an dem Mantelteil, wobei das Mantelteil sich entlang einer Achse erstreckt, wobei das Mantelteil mittels des Deckels an einer Stirnseite verschließbar ausgebildet ist, derart, dass der Deckel axial in das Mantelteil zumindest teilweise derart einführbar ist, dass ein eine Außendurchmesserfläche des Deckels von einer Innendurchmesserfläche des Mantelteils umgeben ist, wobei die Befestigung in der Weise ausgebildet ist, dass das Mantelteil an der Innendurchmesserfläche eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut aufweist, in der ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Scherring angeordnet ist, der den Deckel gegen ein axiales Ausrücken aus dem Mantelteil sichert, wobei axial zwischen dem Deckel und dem Scherring ein ringförmiger Dichtungsträger des Druckbehälters angeordnet ist, wobei der Dichtungsträger mit einer ersten axialen Stirnfläche axial an dem Deckel anliegt und dort eine erste Dichtung zwischen dem Dichtungsträger und dem Deckel aufweist.
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Druckbehälter nach der Erfindung sind derart ausgebildet, dass man diese öffnen kann, um beispielsweise Bauteile in diesen Druckbehältern anzuordnen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Druckbehälter sind die Gehäuse von Turbomaschinen, in denen ein Gas verdichtet oder entspannt werden kann. Üblicherweise haben diese Gehäuse bzw. Druckbehälter einen Einlass und einen Auslass für ein Prozessgas auf unterschiedlichen Druckniveaus. Im Falle der Turbomaschine ist in dem Druckbehälter eine strömungsführende Einrichtung angeordnet, die es ermöglicht, einem Prozessfluid technische Arbeit zuzuführen oder zu entnehmen. In vielen dieser Fluidenergiemaschinen ist mindestens ein drehbarer Rotor angeordnet, der auch aus dem Druckbehälter abgedichtet mittels Wellendichtungen herausgeführt ist, um mechanische Leistung von dem Rotor abzugreifen oder auf diesen zu übertragen. Derartige Druckbehälter werden bevorzugt bei höheren Drücken bzw. Druckdifferenzen zwischen der Umgebung und dem Innenraum als sogenannte Topfgehäuse ausgebildet, die keine Teilfuge entlang einer mit der Rotorachse in der Regel zusammenfallenden Achse aufweisen, sondern eher senkrecht zu dieser Achse. Diese Topfgehäuse umfassen in der Regel ein Mantelteil und mindestens einen stirnseitigen Deckel, wobei sich das Mantelteil mit einer Längsachse entlang einer Achse, Längsachse bzw. Rotorachse erstreckt.
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Die üblichste Befestigung eines derartigen Deckels an einem Mantelteil sieht vor, dass eine Flanschverbindung das Festschrauben und Abdichten des Deckels an bzw. zu dem Mantelteil ermöglicht. Ein Nachteil einer derartigen Flanschverbindung liegt darin, dass der Flansch, bzw. die Flanschpaarung, insbesondere im Bereich der notwendigen Schraubverbindungen raumgreifend ist und dieser Platzbedarf mit zunehmender Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und der Umgebung ebenfalls stark anwächst. Außerdem ist die Fertigung aufwändig.
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Ein Nachteil der zum Beispiel aus der
DE 102013208357 B3 bekannten Konstruktion an dem Druckbehälter zur Sicherung eines Deckels gegen axiales Ausrücken aus einem Mantelteil liegt insbesondere in der Abdichtung des Deckels zu dem Mantelteil. Die bekannten Konstruktionen sehen vor, dass der Deckel oder ein Dichtungsträger über eine in der Regel radial wirkende Dichtung verfügt, die beim axialen Einrücken des Deckels oder des Dichtungsträgers in das Mantelteil bereits mit dem Mantelteil in dichtenden Kontakt tritt. Die teilweise sehr schweren Bauteile derart präzise zu bewegen, dass das axiale Einrücken des Deckels inklusive der Dichtung nicht zu einer Beschädigung der Dichtung führt, ist sehr schwierig. Auch eine entsprechende Bewegung eines entsprechend großen massiven Dichtungsträgers ist hier problematisch, wenn hoch zu belastende radiale Dichtungen und Dichtungsträger vorgesehen werden. Dementsprechend kommt es häufig im Rahmen der Montage zu einer Zerstörung oder zu einer Vorschädigung von Dichtungen, so dass die Montageprozedur teilweise wiederholt werden muss oder die Dichtigkeit des Druckbehälters eingeschränkt ist oder die Lebensdauer der Dichtung verkürzt sein kann. Besonders nachteilhaft ist hierbei, dass die Unversehrtheit der Dichtung nicht einwandfrei festgestellt werden kann.
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Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu verringern bzw. zumindest teilweise aufzuheben.
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Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung einen Druckbehälter der eingangs definierten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des Kennzeichnens des unabhängigen Anspruchs vor. Die abhängigen Ansprüche beinhalten jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Begriffe, wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung sind jeweils auf die Achse des Mantelteils bezogen, sofern nicht anders angegeben. Erfindungsgemäß bevorzugt ist die Achse im Betrieb des Druckbehälters, der bevorzugt das Gehäuse einer Turbomaschine – insbesondere eines Turboverdichters – verkörpert, horizontal ausgerichtet.
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Unabhängig von den konkreten Rückbezügen und der Reihenfolge der Ansprüche ist auch eine beliebige technisch sinnvolle Kombination der jeweiligen Anspruchsmerkmale dem Rahmen der Erfindung zuzurechnen, sofern alle Merkmale des unabhängigen Anspruchs vorhanden sind.
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Alternativ zu der erfindungsgemäß bevorzugten Ausführung des Mantelteils ohne Teilung entlang oder parallel zu der Achse bzw. Längsache kann – bevorzugt für vergleichsweise niedrige Drücke – der Druckbehälter bzw. das Gehäuse auch mit einer sich im Wesentlichen parallel zu der Achse erstreckenden Teilfuge oder entlang dieser Achse sich erstreckenden Teilfuge ausgebildet sein, so dass der Einbau von in den Druckbehälter angeordneten Maschinenkomponenten erleichtert ist. Unabhängig von dem Vorhandensein einer Teilfuge im Bereich des Mantelteils des Druckbehälters konzentriert sich die Erfindung auf eine Anordnung bzw. Befestigung und Abdichtung des Mantelteils im Bereich eines zu dem Druckbehälter gehörenden Deckels, der stirnseitig des Mantelteils – in der Regel senkrecht zu der Achse sich erstreckend – angeordnet ist.
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Die Zusammenstellung eines Druckbehälters insbesondere im Bereich des Baus von Turbomaschinenen aus einem Mantelteil und einem Deckel wird regelmäßig auch als sogenanntes Topfgehäuse bezeichnet (englisch auch „barrel type casing“). Diese Topfgehäuse weisen ein bevorzugt in Umfangsrichtung ungeteiltes Mantelteil auf, wobei die Erfindung auch an geteilten Mantelteilen umsetzbar ist. Das Mantelteil kann an beiden axialen Stirnseiten offen ausgebildet sein und jeweils mit einem Deckel, erfindungsgemäß auf mindestens einer axialen Stirnseiten mittels eines erfindungsgemäßen Deckels auf erfindungsgemäße Art und Weise verschlossen werden. Typischerweise ist ein erfindungsgemäßer Druckbehälter nur auf einer axialen Stirnseite mit einem Deckel auf erfindungsgemäße Art und Weise verschlossen und auf der anderen axialen Stirnseite kann der Deckel zweckmäßig auf eine andere Art und Weise befestigt werden – beispielsweise kann ein Deckel mittels eines an dem Mantelteil vorgesehenen, in Umfangsrichtung sich erstreckenden festen Absatzes gegen axiales Ausrücken nach außen gesichert sein.
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Ein Deckel für einen Druckbehälter nach der Erfindung kann besonders bevorzugt Träger einer Wellendichtung im Bereich einer für die Hindurchführung eines Rotorendes vorgesehenen zentralen Öffnung sein und auch Träger eines Lagers zur Lagerung eines derartigen Rotors sein. Diese Kombination von Deckel mit Wellendichtung und Lager hat den besonderen Vorteil, dass diese Bauteile miteinander vormontiert werden können und eine separate koaxiale Ausrichtung dieser einzelnen Bauteile zueinander und zu dem Mantelteil durch eine gemeinsame Ausrichtung des Deckels ersetzt werden kann.
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Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass einerseits keine Flanschverbindung mehr notwendig ist und andererseits der Deckel selbst nicht mehr Träger einer statischen Deckeldichtung ist, sondern ein separater Dichtungsträger vorgesehen ist, der mindestens zwei Dichtungen aufweist, wovon eine erste Dichtung zwischen dem Dichtungsträger und dem Deckel dichtet und eine zweite Dichtung zwischen dem Dichtungsträger und dem Mantelteil dichtet, wobei beide dieser Dichtungen axial anliegen – also in Fügerichtung- und somit beschädigungsfrei zur Anlage gebracht werden. Der Dichtungsträger ist in seinen Ausmaßen und seinem Gewicht sehr viel handlicher als der Deckel und ermöglicht damit auf sehr viel einfachere Art und Weise eine beschädigungsfreie Montage als in herkömmlicher Weise. Besonders bevorzugt weist das Mantelteil für diesen Dichtungsträger eine sich radial nach außen erstreckende Ausnehmung im Axialbereich des Dichtungsträgers (in montiertem Zustand) an einer Innendurchmesserfläche auf, so dass der Dichtungsträger in dieser Ausnehmung zumindest mit einem Teil der Radialerstreckung angeordnet ist. Auf ähnliche Art und Weise ist es zweckmäßig, wenn der Deckel im axialen Bereich des Dichtungsträgers eine radial außen befindliche dritte Ausnehmung aufweist, in der der Dichtungsträger teilweise radial und zumindest teilweise axial angeordnet ist. Die oben definierte erste Ausnehmung und die dritte Ausnehmung ermöglichen eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung, die vorsieht, dass die erste Dichtung und/oder die zweite Dichtung an einer axialen Stirnseite des Dichtungsträgers angeordnet ist. Hierbei ist es sinnvoll, wenn die erste Dichtung sich in dem Bereich der Axialerstreckung des Dichtungsträgers befindet, der sich im Radialbereich der dritten Ausnehmung befindet und auf diese Weise die axiale Dichtwirkung zwischen dem Dichtungsträger und dem Deckel in Folge dieser Anordnung der ersten Dichtung eintritt.
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Gleichfalls ist es zweckmäßig, wenn sich die zweite Dichtung in dem Radialbereich des Dichtungsträgers befindet, der sich im Radialbereich der ersten Ausnehmung befindet, so dass die axiale Dichtwirkung der zweiten Dichtung zwischen dem Dichtungsträger und dem Mantelteil eintritt.
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Insbesondere bei toxischen Gasen ist es zweckmäßig, wenn zusätzlich zu diesen Axialdichtungen der Dichtungsträger noch axial weiter außen – also zur Umgebung hin – angeordnete Radialdichtungen aufweist, sowohl zwischen dem Dichtungsträger und dem Mantelteil als auch zwischen dem Dichtungsträger und dem Deckel. Auf diese Weise wird eine doppelte Dichtung vorgesehen, die einen Gasaustritt aus dem Innenraum des Druckbehälters in die Umgebung sicherer verhindert. Zur Überwachung oder zur Absaugung kann eine erste Ableitung vorgesehen sein, die in einem Spaltbereich zwischen der ersten Axialdichtung und der bevorzugt vorzusehenden Radialdichtung zwischen dem Dichtungsträger und dem Deckel einmündet, so dass etwaiges Austreten des Prozessgases registriert und ggf. abgesaugt werden kann. In analoger Weise ist es zweckmäßig, wenn eine zweite Ableitung bzw. ein weiterer Überwachung- und Absaugekanal in den Spalt mündet, der von der zweiten axial wirkenden Dichtung, dem Dichtungsträger bzw. dem Mantelteil und der optional zusätzlichen radial wirkenden Dichtung definiert ist.
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Bevorzugt ist der Dichtungsträger nach der Erfindung in Umfangsrichtung ungeteilt ausgebildet, so dass etwaige Teilfugen des Dichtungsträgers nicht Ursache für Undichtigkeiten sein können. Dementsprechend ist es besonders bevorzugt, wenn die erste Ausnehmung sich in dem Mantelteil bis zu dem axial stirnseitigen Ende erstreckt, von dem aus der Dichtungsträger axial in das Mantelteil und an den Deckel heran eingeführt wird.
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Der Scherring ist bevorzugt in Umfangsrichtung in mindestens drei Umfangssegmente unterteilt ausgebildet. Bevorzugt sind vier oder mindestens als vier Umfangssegmente als Unterteilung des Scherrings vorgesehen. Dementsprechend kann der Scherring problemlos in die Nut auf der Innendurchmesserfläche des Mantelteils von radial innen her eingeführt werden, indem die einzelnen Segmente in einer Montagesequenz nacheinander verbaut werden. Besonders bevorzugt ist der Scherring auch in Axialrichtung in mindestens einen ersten Axialabschnitt und einen zweiten Axialabschnitt unterteilt. Auf diese Weise kann der dem Deckel näher angeordnete Axialabschnitt des Scherrings, der auch in Umfangsrichtung segmentiert ist, zumindest radial formschlüssig entweder durch sich selbst oder bevorzugt durch ein angrenzendes Bauteil, beispielsweise mittels des Dichtungsträgers formschlüssig gegen radiales Ausrücken gesichert werden. Eine axiale Sicherung der Position des Scherrings, des Dichtungsträgers bzw. des Deckels erfolgt endgültig durch die Montage des zweiten Axialabschnittes des Scherrings, der ebenfalls auch in Umfangsrichtung segmentiert ausgebildet ist und auch als Haltering bezeichnet werden kann. Bevorzugt kann dieser zweite Axialabschnitt gemeinsam mit dem ersten Axialabschnitt die axiale Erstreckung der Nut für den Scherring im Wesentlichen nahezu vollständig ausfüllen, bis auf ein kleines Montagespiel, so dass sowohl der Dichtungsträger als auch der Deckel in der axialen Position gegen ein axiales Ausrücken nach außen durch den Scherring gesichert sind.
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Der zweite Axialabschnitt des Scherrings ist mittels einer Sicherung, beispielsweise mittels einer Schraube gegen insbesondere radiales Ausrücken gesichert. Insbesondere ist es möglich, den zweiten Axialabschnitt mittels einer Schraube an dem ersten Axialabschnitt zu befestigen. Über den Umfang wird dementsprechend jedes in Umfangsrichtung sich erstreckende Segment des zweiten Axialabschnitts mittels einer entsprechenden Sicherung gesichert, bevorzugt mittels mehrerer dieser Sicherungen.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
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1 einen schematischen Längsschnitt eines Ausschnitts eines Druckbehälters im Bereich der Befestigung des Deckels an einem Mantelteil.
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Die Figur zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Druckbehälters PRV eines Ausschnitts im Bereich einer Befestigung FXT eines Deckels COV an einem Mantelteil CYL des Druckbehälters PRV. Die Darstellung erstreckt sich nur bis zu einer Achse X, die auch Längsachse des Mantelteils CYL und Drehachse eines Rotors ROT eines Turboverdichters ist, dessen Gehäuse durch den Druckbehälter PRV verkörpert ist. Die Darstellung ist auch in Axialrichtung abgeschnitten, weil die anschließenden Bauteile keine erfindungsgemäße Relevanz aufweisen.
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Der Druckbehälter PRV weist einen unter einem Innendruck stehenden Innenraum INC auf, wobei der Deckel COV den Innenraum INC des Druckbehälters PRV axial stirnseitig gegenüber der Umgebung AMB abdichtet. Der Deckel COV weist eine zentrale Öffnung auf, durch die sich ein Ende des Rotors ROT hindurch erstreckt. Der Deckel COV ist gleichzeitig Träger einer Wellendichtung SEA, die einen verbleibenden Bewegungsspalt zwischen dem Rotor ROT und der Begrenzungskontur der zentralen Öffnung des Deckels COV abdichtet. Daneben trägt der Deckel COV auch ein Lager BEA zumindest zur radialen Unterstützung des Rotors ROT.
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Der Deckel COV ist mittels eines Scherrings SHR gegen ein axiales Ausrücken auf dem Mantelteil CYL gesichert. Unter einem erhöhten Innendruck im Innenraum INC drückt der Deckel COV in der Darstellung nach axial rechts – also in Richtung der Umgebung AMB nach außen. Der Scherring SHR fängt hierbei die axial wirkenden Kräfte aus dem Deckel COV bzw. dem Innendruck im Innenraum INC ab und überträgt diese auf das Mantelteil CYL. In dem Kraftfluss zwischen dem Deckel COV und dem Scherring SHR befindet sich erfindungsgemäß ein Dichtungsträger SCR. Demensprechend ist der Deckel COV mittels des Scherrings SHR nur mittelbar über den Dichtungsträger SCR gegen ein axiales Ausrücken gesichert. Die Radialerstreckung des Deckels COV von der Achse X aus ist definiert durch eine Außendurchmesserfläche ORD. Damit der Deckel COV axial in das Mantelteil CYL eingeführt werden kann, ist das Mantelteil CYL in dem Axialbereich des Deckels COV nach radial innen definiert durch einen Innendurchmesserfläche IRD, die um ein Fügespiel auf einem größeren Durchmesser sich befindet als die Außendurchmesserfläche ORD des Deckels COV. In der Innendurchmesserfläche IRD des Mantelteils CYL ist eine erste Ausnehmung RZ1 vorgesehen, in der zumindest ein Teil der Radialerstreckung des Dichtungsträgers SCR angeordnet ist. Bis auf das Fügespiel erstreckt sich der Dichtungsträger SCR radial nach innen in den Radialbereich des Deckels COV hinein, so dass der Deckel COV aufgrund der Erstreckung des Dichtungsträgers SCR nach radial innen gegen ein axiales Ausrücken gesichert ist. In dem konkreten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Deckel COV axial in Richtung der Umgebung AMB im Wesentlichen so weit, wie der Dichtungsträger SCR, indem der Deckel an einer Außendurchmesserfläche ORD eine dritte Ausnehmung RZ3 aufweist, die mit der Größe der Radialerstreckung nach radial innen in dem Bereich der Außendurchmesserfläche ORD des Dichtungsträgers SCR korrespondiert und in etwa sich soweit axial in Richtung der Umgebung AMB erstreckt, wie der Dichtungsträger SCR. Der schon mit der ersten Ausnehmung RZ1 vergrößerte Durchmesser der Innendurchmesserfläche IRD des Mantelteils CYL weist eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut GRV auf, in der zumindest ein Teil der Radialerstreckung des Scherrings SHR radial aufgenommen ist. Der nach radial innen gerichtete Teil der Radialerstreckung des Scherrings liegt axial an dem Dichtungsträger SCR an und stützt die nach axial außen gerichtete Druckkraft des Deckels COV an dem Mantelteil CYL ab. Der Scherring SHR ist hierbei in einen ersten Axialabschnitt SRA1 und einen zweiten Axialabschnitt SRA2 aufgeteilt. Während der Dichtungsträger SCR in Umfangsrichtung ungeteilt ausgebildet ist, ist der Scherring SHR in Umfangsrichtung CDR segmentiert in mindestens drei Segmente unterteilt, bevorzugt vier oder mehr als vier Segmente. Diese Unterteilung in Umfangsrichtung ist in der Figur nicht illustriert. Infolge der Erstreckung der ersten Ausnehmung RZ1 bis zu dem axial stirnseitigen Ende des Mantelteils CYL ist es möglich, den Dichtungsträger SCR axial in das Mantelteil CYL bis zu einer axialen Endposition einzuführen. Hierbei kommt eine erste Dichtung SL1 zwischen dem Deckel COV und dem Dichtungsträger SCR axial zur Anlage und eine zweite Dichtung SL2 zwischen dem Mantelteil CYL und dem Dichtungsträger SCR ebenfalls axial zur Anlage. Hierbei kommt eine axial in den Innenraum INC weisende Stirnfläche AF1 des Dichtungsträgers SCR mit der zweiten Dichtung SL2 an einem nach radial innen vorstehenden Absatz RSH des Mantelteils CYL zur Anlage. In der axialen Endposition kommen darüber hinaus eine dritte Dichtung SL3 radial zwischen dem Deckel COV und dem Dichtungsträger SCR radial zur Anlage und eine vierte Dichtung SL4 kommt zwischen dem Mantelteil CYL und dem Dichtungsträger SCR ebenfalls radial zur Anlage. Zwischen der ersten Dichtung SL1 und der dritten Dichtung SL3 ist für den Spalt zwischen dem Dichtungsträger SCR und dem Deckel COV eine erste Ableitung TX1 vorgesehen, die eine Überwachung, ggf. eine Absaugung dieses Spaltes im Falle einer Undichtigkeit der ersten Dichtung SL1 ermöglicht. Analog ist zwischen der zweiten Dichtung SL2 und der vierten Dichtung SL4 eine zweite Ableitung TX2 vorgesehen, die eine Überwachung und Absaugung von Prozessgas im Falle einer Undichtigkeit der zweiten Dichtung SL2 ermöglicht. Das Einfügen des Scherrings SHR erfolgt zunächst durch Einsetzten der Segmente des ersten Axialabschnitts SRA1 des Scherrings SHR in radial nach außen gerichteter und axial nach innen gerichteter Bewegungsreihenfolge für jedes einzelne Umfangssegment. Sobald sich die Umfangssegmente und das Mantelteil CYL des ersten Axialabschnitts SRA1 in der axialen Endposition befinden, werden die Umfangssegmente des zweiten Axialabschnitts SRA2 axial und radial in ihre Endposition gebracht und mittels jeweils mindestens einer Sicherung SCC pro Umfangssegment bevorzugt mittels mindestens zweier Sicherungen SCC insbesondere gegen radiales Ausrücken gesichert. Bevorzugt ist die Sicherung SCC als mindestens eine axiale Schraube und/oder mindestens eine radiale Schraube zur Befestigung des zweiten Axialabschnitts an dem ersten Axialabschnitts SRA1 des Scherrings SHR und/oder dem Mantelteil CYL ausgebildet. Der Nutgrund GRG der Nut GRV befindet sich auf einem größeren Durchmesser als der Durchmesser der ersten Ausnehmung RZ1. Die Umfangsrichtung ist in der Figur mit CDR ausgewiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013208357 B3 [0004, 0005]
- DE 3626416 A1 [0004]
- US 3552789 A [0004]
