DE1251604B

DE1251604B -

Info

Publication number: DE1251604B
Application number: DENDAT1251604D
Authority: DE
Priority date: 1960-09-07
Publication date: 1967-10-05
Also published as: US3195858A; NL256967A; GB910817A; NL301288A; GB1013870A; CH402267A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Int. Cl.:

F16j

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 47f-2S

Nummen 1251604

Aktenzeichen: S 88270 ΧΠ/47 f Anmeldetag: 13. November 1963 Auslegetag: 5. Oktober 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellenabdichtung für eine Turbomaschine mit senkrecht angeordneter Welle für kompressible Arbeitsmedien mit einer flüssigkeitsgeschmierten Lagerung für die Welle, wobei ein die Welle ringförmig umgebender Druckraum angeordnet ist, in welchen als Dichtungsmittel dienendes Schmiermittel mit einem höheren Druck als derjenige auf der Gasseite der Wellenabdichtung eingeleitet wird, einer diesen Druckraum mit einem Abströmraum verbindenden Drosselstelle und einem an den Abströmraum anschließenden und zu einer der Zerlegung des Schmiermittel-Gasgemisches dienenden Trennvorrichtung führenden Abströmkanal und einem Speicherbehälter, welcher unter^ejksm niedrigeren Druck als der Abströmraum der^J^tfdichtvorrichtung steht, und die druckmäßige Trennung der Abdichtvorrichtung von dem Speicherbehälter durch eine volumetrisch fördernde Dosierpumpe bewirkt wird, welche in dem Abströmkanal angeordnet ist, und wobei weiterhin aus dem Speicherbehälter das Schmiermittel mittels einer Pumpe emeut in den die Welle umgebenden Druckraum geführt wird, wobei gegebenenfalls der Druckraum mit dem Wellenlager direkt in Verbindung steht und durch dieses mit Schmiermittel versorgt wird.

Bei einer solchen bekannten Ausbildung einer Wellenabdichtung wird die Absaugmenge der Dosierpumpe so bemessen, daß gleichzeitig mit dem Schmiermittel eine bestimmte Menge des Gases aus dem Gasraum der Turbomaschine durch den Abströmraum mit abgezogen wird. Eine solche Ausführungsfonn hat gegenüber anderen bekannten Wellenabdichtungen, bei denen der Abströmraum druckmäßig direkt mit einem Speicherbehälter in Verbindung steht, den Vorteil, daß auf Grund der druckmäßigen Abtrennung der Speicherbehälter nicht als Druckbehälter ausgebildet zu sein braucht, da er unabhängig von den ■ Druckverhältnissen in der Wellenabdichtung unter einem Druck von beispielsweise einer Atmosphäre stehen kann.

Jedoch kann bei der bekannten Wellenabdichtung bei Druckschwankungen des Arbeitsmittels in der Maschine sowohl während des Betriebes als auch beim Stülsetzen der Maschine Schmiermittel aus dem Abströmraum in den Gasraum der Maschine eindringen, wenn eine Sauggeschwindigkeit der Dosierpumpe vorgegeben wird, die im Hinblick auf die Druckverhältnisse im Abströmraum bei stationärem Betrieb bestimmt wurde. Sobald aber bei plötzlichem Druckabfall im Gasraum der Maschine die Expansionsgeschwindigkeit des Schmiermittel-Gas-Gemisches im Abströmraum und in der anschließenden

Wellenabdichtung für eine Turbomaschine mit
senkrecht angeordneter Welle für kompressible
Arbeitsmedien mit einer flüssigkeitsgeschmierten Lagerung für die Welle

Anmelder:

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,
Wmterthur (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,
Düsseldorf, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt: Kurt Schwarz, Frauenfeld (Schweiz) Beanspruchte Priorität: Schweiz vom 1. November 1963 (13 530)

Abströmleitung die Sauggeschwindigkeit der Dosierpumpe überschreitet, entspannt sich das Gemisch in den Gasraum der Maschine. Theoretisch könnte das zwar durch eine entsprechend große Sauggeschwindigkeit der Dosierpumpe vermieden werden, d. h., die Größe der Sauggeschwindigkeit müßte nach der größten möglichen auftretenden Druckdifferenz zwischen Druckraum des Schmiermittels und Gasraum der Maschine bestimmt werden. Für die Praxis ist diese Lösung jedoch nicht von Interesse, da in diesem Fall bei stationärem, d. h. normalem Betrieb extrem große Gasmengen aus dem Gasraum der Maschine abgesaugt würden, welche für die Prozeßführung der Anlage, von der die abzudichtende Turbomaschine einen Bestandteil bildet, nicht tragbar wären.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Wellenabdichtung, der zwar schon bei stationärem Betrieb, jedoch bei instationärem Betrieb, d. h. bei plötzlichem Druckabfall im Gasraum der Maschine, noch stärker ins Gewicht fällt, ist eine Aufschäumung des flüssigen Schmiermittels im Abströmraum, da das Schmiermittel auf Grund der hohen Umfangsgeschwindigkeit der Welle einer Turbomaschine und auch wegen der Druckdifferenz zwischen dem Schmiermitteldruckraum und dem Abströmraum mit einer sehr hohen Geschwindigkeit aus der den Druckraum mit dem Abströmraum verbindenden Drosselstelle in diesen ausströmt. Durch diese Schaumbil-

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dung wird eine beträchtliche Volumenvergrößerung des Schmiermittel-Gas-Gemisches herbeigeführt. Da die Dosierpumpe ein konstantes Volumen fördert, besteht nun die Gefahr, daß auf Grund der Schaumbildung nicht das ganze Schmiermittel abgesaugt wird und somit der verbliebene Rest in den Gasraum der Maschine eindringen kann. Bei instationärem Betrieb der Maschine. ist die Gefahr einer noch stärkeren Schaumbildung auf Grund der größeren Druckdifferenzen gegeben. —

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellenabdichtung zu schaffen, bei der die vorstehend aufgeführten Nachteile mit Sicherheit vermieden werden, was erfindungsgemäß dadurch erreicht wird, daß an den Gasraum der Turbomaschine über einen Engpaß ein Pufferraum angeschlossen ist, dessen Volumen ein Vielfaches desjenigen des Abströmraumes beträgt, daß dieser Pufferraum über einen Engpaß mit dem das Lagergehäuse zylindrisch umgebenden Abströmraum verbunden ist, und daß in dem Abströmraum ein die Welle mit Spiel umgebender, feststehender Auffangschirm für das aus dem Druckraum ausströmende Schmiermittel angeordnet ist.

Mit Hilfe des Pufferraumes, dessen Volumen ein Vielfaches, beispielsweise das Hundertfache oder mehr, desjenigen des Abströmraumes betragen kann, wird nun beim Stillsetzen der Maschine oder auch bei starkem Druckabfall des die Maschine durchsetzenden Gases mit Sicherheit vermieden, daß Schmiermittel in den Gasraum der Maschine einströmen kann. Während des stationären Betriebszustandes der Maschine herrscht im Pufferraum etwa der gleiche Druck wie im Gasraum der Maschine. Bei plötz-

Die F i g. 1 zeigt eine Expansionsturbine 1 mit einer senkrecht angeordneten Welle 2, die in zwei ölgeschmierten Lagern 3 und 4 läuft. Im Lagerkörper des Lagers 3 ist eine als Druckraum dienende Ringnut 5 angeordnet. Dieser Druckraum ist durch den Ringspalt 6 mit dem das Lagergehäuse 8 zylindrisch umgebenden Abströmraum 7 verbunden, dessen innere Begrenzungswand vom Lagergehäuse gebildet wird, und^an dessen unteres Ende eine zu der Dosierpumpe 10 — beispielsweise eine Kolbenpumpe — führende Abströmleitung 9 für das Schmiermittel-Gas-Gemisch angeschlossen ist. Im Abströmraum 7 ist in der Nähe der Drosselstelle 6 ein die Welle 2 mit Spiel... umgebender... feststehender .Auffangschirm U für das aus dem Druckraum 5 ausströmende Schmiermittel angeordnet. Dieser Schirm ist im Ausführungsbeispiel mit Stegen 12 an der Innenwand des Ausströmraumes befestigt. Die Welle 2 ist, wo sie den Abströmraum durchsetzt, mit einem Bund 13 versehen, der eine Spritzkante 14 für das Schmiermittel aufweist. An den Gasraum 15 der Expansionsturbine, d. h. an den Raum hinter dem Leitapparat, ist über einen Engpaß, nämlich eine Labyrinthdichtung 16, ein Pufferraum 17 angeschlossen, der das Lagergehäuse umgibt, und dessen Innenwand die Außenwand des Abströmraumes bildet. Dieser Pufferraum, dessen Volumen ein Vielfaches, beispielsweise das Hundertfache oder mehr, desjenigen des Abströmraumes beträgt, ist über einen die Welle 2 umgebenden Ringspalt 18 mit dem Abströmraum 7 verbunden.

Die Abströmleitung 9 führt hinter der Dosierpumpe 10 in ein Zyklon 19, an das eine in einen Speicherbehälter 20 führende Leitung 21 für das gas-

IichemJDruckabfall des Gases in der Turbomaschine, 35 förmige Arbeitsmedium mit einer der Mengen- ~ ¹ ' ~~ " messung dienenden Meßblende 22 und eine in den

Speicherbehälter führende Leitung 23 für das Schmiermittel angeschlossen sind. Vor dem Zyklon ist in der Abströmleitung 9 eine Drosselblende 24 angeordnet, die zur Druckreduzierung zugunsten einer . entsprechenden Geschwindigkeitsheraufsetzung dient, die im Zyklon für die erforderliche Trennwirkung auf das Schmiermittelgasgemisch erforderlich ist. An den oberen Teil des Speicherbehälters ist eine einen Adsorptionsfilter 25 enthaltende Gasleitung 26 angeschlossen, die z. B. zu einer Stelle niedrigsten Druckes im Strömungsweg des die Turbomaschine durchsetzenden Arbeitsmediums führt. Unter gleichem Druck wie der Speicherbehälter steht auch das Lagergehäuse 8, das mit ersterem durch eine Rücklaufleitung 27 für das öl verbunden ist. An dem unteren Teil des Speicherbehälters ist eine Einspeiseleitung 28 für das öl angeschlossen, in der eine Pumpe 29, ein Kühler 30 und ein Filter 31 angeordnet sind. Von der Einspeiseleitung ist eine in das Lager 4 führende Leitung 32 mit einer Drosselblende 33 abgezweigt, die zur Einstellung des Schmiermitteldruckes für die Wellenlager 3 und 4 dient. Nach der Abzweigstelle ist in der in das Lager 3 führenden Einspeiseleitung 28 eine Druckregeleinrichtung 34 angeordnet. Die an die Leitung 9 angeschlossene Steuerleitung für den Druckregler ist mit 35 bezeichnet. Zur Ermöglichung einer Einstellung hinsichtlich Aufteilung der Gas- und der ölmenge des von der Dosierpumpe zu fördernden Gasgemisches ist zwischen der Leitung 28 und der Leitung 9 vor der Dosierpumpe eine ein Regelventil 36 enthaltende Leitung 37 angeschlossen.

wie z. B. beim Stillsetzen der Anlage, sinkt der Druck des im Pufferraum befindlichen trockenen Gases — d. h. des Gases, das keine Schmiermittelbestandteile enthält — auf Grund des im Vergleich zu dem Volumen des Abströmraumes großen Volumens wesentlich langsamer ab, als der Gasdruck im Abströmraum auf Grund der Absauggeschwindigkeit der Dosierpumpe abnimmt. Hierdurch wird bewirkt, daß sich das im Pufferraum befindliche Gas in den Abströmraum hinein entspannt, so daß kein Schmiermittel aus dem Abströmraum längs der Welle in den Gasraum der Maschine eindringen kann. Weiterhin wird durch den im Abströmraum angeordneten, die Welle mit Spiel umgebenden, feststehenden Auffangschirm bewirkt, daß die aus dem Druckraum in den Abströmraum ausströmende Schmiermittelmenge mindestens zum größten Teil umgelenkt wird und erst nach Verminderung der Ausströmgeschwindigkeit in den Gasraum des Abströmraumes austritt und dort mit dem Gas in Berührung kommt. Auf Grund der radialen Umlenkung des Schmiermittels nach außen wird dessen Strömungsgeschwindigkeit vermindert, bevor es in den Gasraum austritt. Es kann somit ohne Aufschäumung durch das im Abströmraum vorhandene Gas direkt nach unten ablaufen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Expansionsmaschine mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Wellenabdichtung in schematischem Schnitt und

F i g. 2 die Anwendung einer derartigen Wellenabdichtung für eine Expansionsturbine in einer Kompressionskälteanlage.

Zur Aufrechterhaltung des konstanten Öldruckes in der Einspeiseleitung ist an den Speicherbehälter eine ein Überströmventil 38 enthaltende Leitung 39 angeschlossen, die vor dem Druckregler in die Einspeiseleitung 28 mündet, so daß, sobald der Öldruck in der Leitung 28 das gewünschte Maß überschreitet, öl über die Leitung 39 in den Speicherbehälter zurückfließt.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäß ausgebildeten Wellenabdichtung ist folgende:

Aus dem Speicherbehälter 20, dessen Gasraum beispielsweise unter einem Druck von 1 Atmosphäre steht, wird mittels der Pumpe 29 öl in die Lager 3 und 4 mit einem höheren Druck als derjenige auf der Gasseite der Abdichtung eingespeist. Beispielsweise kann der Druck in den Lagern und damit auch im Dmckraum 5 12 Atmosphären betragen, wenn der Druck im Gasraum 15 der Expansionsturbine 10 Atmosphären beträgt. Das Lagergehäuse 8 steht unter dem gleichen Druck wie der Speicherbehälter 20, und das aus den Lagern 3 und 4 in das Gehäuse 8 austretende öl strömt in den Speicherbehälter unter dem Einfluß der Schwerkraft ab.

Um zu gewährleisten, daß der Druck im Druckraum 5 stets um einen konstanten Betrag höher als derjenige auf der Gasseite der Abdichtung ist, d. h., daß die von beiden Drücken gebildete Druckdifferenz stets auch bei Druckvariationen auf der Gasseite der Maschine konstant bleibt, wird im dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich der Druckregler 34 angeordnet. Dessen Kolben wird außer von dem im Abströmraum 7 herrschenden Druck vom Federdruck der ihn belastenden Feder beaufschlagt. Im Abströmraum 7 wie im Pufferraum 17 herrscht im wesentlichen der im Gasraum 15 der Maschine bestehende Druck, im angegebenen Zahlenbeispiel von etwa 10 Atmosphären.

Die in der an den Abströmraum 7 angeschlossenen Leitung 9 angeordnete Dosierpumpe 10, beispielsweise eine Kolbenpumpe, bewirkt eine druckmäßige Abtrennung zwischen dem im Gasraum der Maschine sowie im Pufferraum. und im Abströmraum herrschenden Druck von dem im Speicherbehälter sowie im Lagergehäuse 8 bestehenden Druck. Im angegebenen Zahlenbeispiel bedeutet dieses eine Trennung zwischen einem Druck von etwa 10 Atmosphären und einem Druck von 1 Atmosphäre. Nunmehr können sich auf der Gasseite der Maschine auftretende Druckschwankungen während des Betriebs in keiner Weise auf den Gasdruck im Speicherbehälter auswirken, so daß mit Sicherheit vermieden wird, daß bei plötzlichem Abfall des Prozeßdruckes in der Expansionsturbine öl aus dem Speicherbehälter in den Gasraum der Maschine eindringen kann. Die Menge des aus dem Druckraum 5 in den Abströmraum 7 durch den Ringspalt 6 austretenden Öles ist durch die Druckdifferenz zwischen den Räumen 5 und 7 sowie durch die Bemessung des Ringspaltes, der als Strömungswiderstand wirkt, bestimmt. Da nach der Erfindung außer dieser ölmenge eine gewisse definierte Gasmenge aus dem Gasraum der Maschine mit abgezogen werden soll, um ganz sicher zu sein, daß kein öl längs der Welle in die Maschine eindringen kann, wird das Fördervolumen der Dosierpumpe um einen bestimmten Betrag höher gewählt, als es der in den Abströmraum aus dem Druckraum einströmenden ölmenge entspricht, so daß sich das von der Dosierpumpe über die Trennvorrichtung 19

in den Speicherbehälter 20 durchgelassene Volumen aus Öl und aus Gas zusammensetzt. Zirkuliert beispielsweise stündlich eine ölmenge von 6001 durch die Abdichtung, so wird man z. B. eine Pumpe 10 mit einem Fördervolumen von 9001 pro Stunde verwenden, so daß stündlich ein Gasvolumen von 3001 aus dem Gasraum der Expansionsturbine durch den Abströmraum abströmt.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung, das wesentlieh für die einwandfreie Wirkungsweise der Wellenabdichtung ist, besteht darin, daß die aus dem Druckraum 5 in den Abströmraum 7 ausströmende ölmenge mindestens zum größten Teil von dem feststehenden Auffangschirm 11 umgelenkt wird und erst nach Verminderung der Ausströmgeschwindigkeit in den Gasraum des Abströmraumes austritt und mit dem Gas in Kontakt kommt. Der Zweck dieser Anordnung ist folgender: Auf Grund des radial nach außen umgelenkten Öles wird dessen Strömungsgeschwindigkeit reduziert, bevor es in den Gasraum austritt, und es kann somit ohne Aufschäumung mit Gas im Abströmraum direkt nach unten ablaufen. Wenn kein Auffangschirm angeordnet wäre, würde nämlich auf Grund der hohen Drehzahl derartiger Maschinen das mit einer hohen Austrittsgeschwindigkeit aus dem Ringspalt 6 in den Abströmraum 7 austretende öl versprüht, wodurch eine Aufschäumung des Öles durch Aufnahme von in den Abströmraum einströmendes Gas bewirkt würde. Diese Schaumbildung hätte eine hohe Volumenvergrößerung des Öl-Gas-Gemisches zur Folge, und dür Abströmraum könnte sich mit ölschaum füllen, de% nicht mehr von der Dosierpumpe abgezogen werden-könnte.
Die ölabstreifkante 14 am Bund3.3 stellt schließlieh eine zusätzliche Sicherung —^insbesondere für den Stillstand der Maschine — dafür dar, daß zwischen dem Auffangschirm 11 und der Welle 2 in den Abströmraum austretendes öl auf keinen Fall durch den Ringspalt 18 in den Pufferraum 17 eindringen kann. Dieser Pufferraum spielt beim Stillsetzen der Maschine oder auch bei starkem Druckabfall des die Maschine durchsetzenden Gases während des Betriebes eine wichtige Rolle. Wie bereits zum Ausdruck gebracht wurde, herrscht während des Betriebszustandes der Maschine im Raum 17 etwa der gleiche Druck wie im Gasraum 15 der Maschine. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß sich die Labyrinthdichtung 16 auf den Druck im Raum 17 nicht merklich auswirkt, da im Betriebszustand nur eine kleine Gasmenge in den Abströmraum mit einer relativ kleinen Geschwindigkeit überströmt.

Bei plötzlichem Druckabfall des Gases in der Turbomaschine, wie z. B. beim Stillsetzen der Anlage, sinkt der Druck des im Pufferraum befindlichen trockenen Gases — d. h. Gas, das keine ölbestandteile enthält — auf Grund des im Vergleich zu dem Volumen des Abströmraumes großen Volumens wesentlich langsamer ab, als der Gasdruck im Abströmraum auf Grund der Absauggeschwindigkeit der Dosierpumpe abnimmt. Hierdurch wird bewirkt, daß sich das im Pufferraum befindende Gas in den Abströmraum hinein entspannt, so daß mit Sicherheit vermieden wird, daß öl aus dem Abströmraum längs der Welle in den Gasraum der Maschine eindringen kann.

Die in der F i g. 2 dargestellte Kompressionskälteanlage besteht aus einem Kompressor 60, einem Kühler 61, einem Wärmeaustauscher 62, einer Expan-

Claims

sionsturbine 1 und aus einem Kühlraum 64, der z. B. eine Schrumpf kammer, ein Versuchsraum für wissenschaftliche Zwecke od. dgl. sein kann. Die in Fig. 1 an den Gasraum des Speicherbehälters 20 angeschlossene Leitung 26 ist — wie aus F i g. 2 hervorgeht— am anderen Ende an die Ansaugleitung des Kompressors angeschlossen, so daß das aus der Wellenabdichtung herausgeführte Gas. nicht für den Prozeß verlorengeht, sondern diesem wieder zugeführt wird. Wenn es sich um eine Anlage mit einem Gasometer 65 handelt, ist die Leitung 26 ebenfalls an der gleichen Stelle, nämlich sowhl am Gasometer als an der Ansaugseite des Kompressors, angeschlossen.

Patentanspruch: ¹S

Wellenabdichtung für eine Turbomaschine mit senkrecht angeordneter Welle für kompressible Arbeitsmedien mit einer flüssigkeitsgeschmierten Lagerung für die Welle, wobei ein die Welle ringförmig umgebender Druckraum angeordnet ist, in welchen als Dichtungsmittel dienendes Schmiermittel mit einem höheren Druck als derjenige auf der Gasseite der Wellenabdichtung eingeleitet wird, einer diesen Druckraum mit einem Abströmraum verbindenden Drosselstelle und einem an den Abströmraum anschließenden und zu einer der Zerlegung des Schmiermittel-Gas-Gemisches dienenden Trennvorrichtung führenden Abströmkanal und einem Speicherbehälter, weleher unter einem niedrigeren Druck als der Abströmraum der Abdichtvorrichtung steht, und die druckmäßige Trennung der Abdichtvorrichtung von dem Speicherbehälter durch eine volumetrisch fördernde Dosierpumpe bewirkt wird, welche in dem Abströmkanal angeordnet ist, und wobei weiterhin aus dem Speicherbehälter das Schmiermittel mittels einer Pumpe erneut in den die Welle umgebenden Druckraum geführt wird, wobei gegebenenfalls der Druckraum mit dem Wellenlager direkt in Verbindung steht und durch dieses mit Schmiermittel versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an den Gasraum (15) der Turbomaschine (1) über einen Engpaß (16) ein Pufferraum (17) angeschlossen ist, dessen Volumen ein Vielfaches desjenigen des Abströmraumes beträgt, daß dieser Pufferraum über einen Engpaß (18) mit dem das Lagergehäuse (8) zylindrisch umgebenden Abströmraum (7) verbunden ist, und daß in dem Abströmraum (7) ein die Welle mit Spiel umgebender, feststehender Auffangschirm (11) für das aus dem Druckraum (5) ausströmende Schmiermittel angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschriften Nr. 135 541,
538;

britische Patentschrift Nr. 911 384;
USA.-Patentschrift Nr. 2 820 652.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 650/221 9.67 CS Bundesdruckerei Berlin