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Dokumentenidentifikation DE4134255A1 18.03.1993
Titel Turbomaschine
Anmelder Sulzer-Escher Wyss AG, Zürich, CH
Erfinder Lorenzen, Heinrich, Dipl.-Ing., Untersiggenthal, CH
Vertreter Manitz, G., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Finsterwald, M., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing., 8000 München; Rotermund, H., Dipl.-Phys., Pat.-Anwälte, 7000 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 16.10.1991
DE-Aktenzeichen 4134255
Offenlegungstag 18.03.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.03.1993
IPC-Hauptklasse F01D 3/04
Zusammenfassung Bei einer Turbomaschine wird der auf dem Rotor (2) wirkende, durch die Druckdifferenz zwischen Druckseite (P) und Saugseite (S) erzeugte Axialschub (F1-F2) dadurch kompensiert, daß eine saugseitig vorgesehene Trockengasdichtung (11) bzw. ein Teil der Saugseite der Welle (3) mit einem gewissen Druck (p3) beaufschlagt wird, der einen kompensierenden Axialschub (F3) erzeugt, so daß der resultierende Axialschub möglichst (F3) gering wird. Dieser Druck (p3) wird mit Vorteil über den Lagerspalt eines axialen Magnetlagers (4) des Rotors (2) so geregelt, daß der Lagerspalt einen vorgegebenen Wert einnimmt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit einem eine Welle aufweisenden Rotor mit einer Saugseite und einer Druckseite, und mit einer Anordnung zur Aufnahme des durch die Druckdifferenz zwischen der Saugseite und der Druckseite erzeugten Axialschubes.

Turbomaschinen dieser Art sind aus zahlreichen Publikationen bekannt, beispielsweise aus CH 6 63 447, und können beispielsweise als Turbokompressoren axialer, radialer oder kombinierter Bauart ausgeführt sein, jedoch auch als Turbomaschinen anderer Art, bei denen eine Druckdifferenz zwischen der Saugseite und der Druckseite des Rotors auftritt.

Die Welle des Rotors ist an beiden Seiten mit geeigneten Lagern in einem Gehäuse gelagert. Dabei tritt zufolge der Druckdifferenz zwischen der Saugseite und der Druckseite des Rotors ein Axialschub auf. Im günstigsten Fall kann dieser Axialschub von geeigneten Axialschublagern aufgenommen werden. Solche Lager sind zwar in zahlreichen Ausführungsformen bekannt, deren Belastungsfähigkeit ist jedoch begrenzt, insbesondere bei hohen Drehzahlen und großen Druckdifferenzen. Insbesondere können moderne verlustarme Lager, beispielsweise Magnetlager, Axialschübe wegen der geringen Spalttoleranzen nur begrenzt aufnehmen.

Es ist daher bereits versucht worden, den Axialschub durch spezielle Anordnungen aufzunehmen oder zumindest zu reduzieren. In der CH 4 49 659 ist eine solche Anordnung beschrieben, bei der der Axialschub durch einen mitrotierenden Druckkamm auf einer mit Zahnradübersetzung angetriebenen Nebenwelle aufgefangen wird. Dies erfordert jedoch eine komplizierte und platzaufwendige Konstruktion.

Bei anderen Anordnungen wird die Druckdifferenz an der Druckseite durch einen Druckausgleichskolben mit einer Labyrinthdichtung abgebaut. Dies bedingt jedoch große Leckverluste, insbesondere bei Maschinen mit großem Druckgefälle und kleiner Fördermenge. Zudem sind meist große Durchmesser für den Ausgleich nötig, welche zu großen und oft unzulässigen Geschwindigkeiten führen.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die vorstehend angeführten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und bei einer Turbomaschine mit einer Druckdifferenz zwischen der Saugseite und der Druckseite den am Rotor auftretenden Axialschub zu eliminieren oder zumindest stark zu vermindern, ohne störende Leckverluste, und insbesondere bei Maschinen mit großem Druckgefälle und hoher Drehzahl.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an einem Wellenende der Turbomaschine eine Trockengasdichtung vorgesehen ist, wobei die Trockengasdichtung und/oder wenigstens ein Teil der Stirnseite der Welle mit einem solchen Druck beaufschlagt ist, daß über die beaufschlagte Fläche ein Axialschub gebildet ist, der den durch die Druckdifferenz verursachten, auf den Rotor wirkenden Axialschub zumindest teilweise ausgleicht.

Mit Vorteil ist die Trockengasdichtung an der Saugseite des Rotors vorgesehen.

Vorteilhaft ist es hierbei, den Druck, der auf die beaufschlagte Fläche wirkt, mittels Axialschubmessung und einen entsprechenden Regelkreis derart zu regeln, daß der Axialschub auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Die Regelung kann dabei derart erfolgen, daß der restliche Axialschub praktisch verschwindet, oder eine vorgegebene Schwelle nicht überschreitet.

Eine besonders vorteilhafte Regelanordnung läßt sich schaffen, wenn das Axialschublager des Rotors als Magnetlager ausgebildet ist, welches mit einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Lagerspaltes versehen ist, wobei die Regelanordnung derart ausgebildet sein kann, daß dieser Lagerspalt über den Druck der Trockengasdichtung auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird.

Die Erfindung wird anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung näher erläutert.

Die Figur zeigt im Axialschnitt einen sechsstufigen Radialkompressor. Es wird jedoch bemerkt, daß die Erfindung in analoger Weise auch für andere Turbomaschinen mit analogen Vorteilen angewendet werden kann.

Bei dem in der Figur wiedergegebenen Turbokompressor ist in einem Gehäuse 1 ein Rotor 2 angeordnet, welcher eine Welle 3 aufweist, die sowohl an der Saugseite S als auch an der Druckseite P verlustarm mit radialen Magnetlagern 5 und einem axialen Magnetlager 4 im Gehäuse 1 gelagert ist. Die Welle 3 trägt axial hintereinander sechs Laufräder 6 mit Laufschaufeln 7, die das geförderte Medium, beispielsweise das zu komprimierende Gas, radial nach außen transportieren, wo es durch Diffusoren 8 im Gehäuse in die nächste Stufe umgeleitet wird. An der Saugseite S ist die Welle 3 mittels einer Trockengasdichtung 9 gegen das Innere des Gehäuses 1 abgedichtet. Analog dazu ist die Welle 3 an der Druckseite P der Turbomaschine ebenfalls durch Trockengasdichtungen 10 gegen das Gehäuse 1 abgedichtet. Wegen des hohen Druckes auf der Druckseite P empfiehlt sich die Verwendung einer Mehrfachdichtung, beispielsweise einer dreifachen Trockengasdichtung. Wegen der Konstruktion solcher Dichtungen wird beispielsweise auf DE 39 25 403 und weitere Publikationen verwiesen. Diese Dichtungen arbeiten in der Regel zwischen dem Innendruck im Gehäuse an der Druckseite p1 bzw. Saugseite p2 und dem Außendruck p0, in der Regel dem Atmosphärendruck.

Infolge der Druckdifferenz zwischen der Saugseite und der Druckseite der Turbomaschine entstehen dabei an den beiden Trockengasdichtungen 9 und 10 unterschiedliche Axialschübe F1 und F2, deren Resultante (F1-F2) in Axialrichtung zur Saugseite S gerichtet ist und auf die als Magnetlager ausgeführten Wellenlager 4 und 5 einen Axialschub ausübt. Um diesen insbesondere bei Magnetlagern und bei Maschinen großer Druckdifferenz und hoher Drehzahl unzulässigen Axialschub zu eliminieren oder zumindest auf einen unschädlichen Wert zu reduzieren, ist an der Saugseite S des Rotors an seiner Stirnseite eine zusätzliche Trockengasdichtung 11 vorgesehen, und zwar umgekehrt zur Trockengasdichtung 9 derart, daß sie an der Innenseite gegen die Atmosphäre arbeitet, während deren Außenseite mit einem erhöhten Druck p3 beaufschlagt wird. Dieser Druck wirkt auf die zusätzliche Trockengasdichtung 11 und fakultativ zumindest teilweise auch auf die Stirnseite der Welle 3 und erzeugt einen Gegenschub F3. Dieser wird mit Vorteil so gewählt, daß er die Resultante des Axialschubes (F1-F2) kompensiert oder zumindest auf ein für die Magnetlager zulässigen Wert reduziert.

Durch Verwendung einer Trockengasdichtung, mittels der ein kompensierender Gegenschub ausgeübt wird, lassen sich die Leckverluste besonders gering halten. Statt an der Saugseite kann diese Trockengasdichtung auch an der Druckseite angeordnet sein, wobei zur Axialschubkompensation dann ein negativer Axialschub, d. h. eine Zugkraft ausgeübt werden muß.

Besonders vorteilhaft ist es, am axialen Magnetlager 4 eine Spaltmeßeinrichtung vorzusehen, welche über einen Regelkreis die Druckbeaufschlagung p3 derart regelt, daß die Spaltweiten des Magnetlagers innerhalb der vorgegebenen Toleranzen bleiben. Auf diese Weise können die Vorteile eines verlustarmen Wellenlagers voll ausgenützt werden, insbesondere auch bei hohen Drehzahlen der Turbomaschine und bei hohen Druckdifferenzen, ohne daß eine störende Leckage auftritt oder komplizierte Kompensationsanordnungen erforderlich sind.


Anspruch[de]
  1. 1. Turbomaschine mit einem eine Welle (3) aufweisenden Rotor (2) mit einer Saugseite (S) und einer Druckseite (P), und mit einer Anordnung zur Aufnahme des durch die Druckdifferenz zwischen der Saugseite und der Druckseite erzeugten Axialschubes (F1-F2), dadurch gekennzeichnet, daß an einer Seite (S) der Turbomaschine eine Trockengasdichtung (11) vorgesehen ist, wobei die Trockengasdichtung (11) und/oder wenigstens ein Teil der Stirnseite der Welle (3) mit einem solchen Druck (p3) beaufschlagt ist, daß über die beaufschlagte Fläche ein kompensierender Axialschub (F3) gebildet ist, der den durch die Druckdifferenz verursachten, auf den Rotor wirkenden Axialschub (F1-F2) zumindest teilweise ausgleicht.
  2. 2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trockengasdichtung (11) an der Saugseite (S) der Turbomaschine vorgesehen ist.
  3. 3. Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Regelkreis, der mittels Axialschubmessung den Druck (p3) für die Beaufschlagung der Trockengasdichtung (11) derart steuert, daß der kompensierende Axialschub (F3) auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird.
  4. 4. Turbomaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis ausgebildet ist, den gesamten aus dem kompensierenden Axialschub (F3) und dem durch die Druckdifferenz verursachten Axialschub (F1-F2) resultierenden Axialschub (F1-F2-F3) derart zu regeln, daß dieser einen vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet.
  5. 5. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1- 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (3) mittels wenigstens eines axialen Magnetlagers (4) gelagert ist.
  6. 6. Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Magnetlager (4) eine Meßeinrichtung zur Messung eines Magnetlagerspaltes aufweist, und daß ein Regelkreis vorgesehen ist, der diesen Lagerspalt über den Druck (p3) für die Beaufschlagung der Trockengasdichtung (11) auf einen vorgegebenen Wert regelt.






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