DE4216006C1 - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
- F01D11/04—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type using sealing fluid, e.g. steam
- F01D11/06—Control thereof
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/08—Sealings
- F04D29/10—Shaft sealings
- F04D29/12—Shaft sealings using sealing-rings
- F04D29/122—Shaft sealings using sealing-rings especially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/124—Shaft sealings using sealing-rings especially adapted for elastic fluid pumps with special means for adducting cooling or sealing fluid
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs.
Turbomaschinen zur Verdichtung von Gasen insbesondere von Prozeßgasen
mit Drücken <100 bar müssen sorgfältig und betriebssicher aus Gründen
der Wirtschaftlichkeit und der Sicherheit im Wellenbereich abgedichtet
werden. Bekannt sind ölgeschmierte Dichtungen oder gasgeschmierte
Gleitringdichtungen. Die letztgenannte Dichtungsart hat den Vorteil,
daß das zu fördernde Gas durch Öl nicht verunreinigt wird, die
Meßinstrumente durch Ölbenetzung nicht beeinträchtigt werden und die
viel Platz wegnehmende Ölversorgungsanlage einschließlich der
Wiederaufbereitungsanlage für das gaskontaminierte Leckageöl entfällt.
Üblicherweise wird für einen Differenzdruckbereich zwischen Abdichtdruck,
Verdichtungsenddruck und Fackeldruck von 120-140 bar eine
Tandem-Dichtung angeordnet. Diese besteht aus einer Primärdichtung, die
bis auf einen Fackeldruckbereich von 1,5-5 bar abdichtet. Die
nachfolgende Sekundärdichtung ist eine Sicherheitsdichtung, die bis zum
Atmosphärendruck abdichtet.
Bei noch höheren abzudichtenden Differenzdrücken reicht die
Tandem-Gasdichtung nicht aus, da die Primärdichtung überlastet wäre.
Man wählt dann eine Triple-Gasdichtung, bei der zwischen der
Primärdichtung und der Sekundärdichtung eine Zwischendichtung
angeordnet ist, die vom eingestellten Zwischendruck bis auf Fackeldruck
abdichtet. Bei dieser Anordnung ist es schwierig, den Druck in der
Zwischendichtungskammer einzuregeln, da dieser vom Verhältnis der
Leckagerate der Primär- und der Zwischendichtung abhängig ist. Die
Leckagerate wiederum ist stark abhängig vom eingestellten Spalt
zwischen dem Rotor und dem federbelasteten Stator einer
Gleitringdichtung. Damit die Dichtflächen nicht zu schnell
verschleißen, wird während des Betriebes durch eine spezielle
Ausbildung der Flächen in Form von Nuten ein Staudruck erzeugt, der zum
Abheben der Dichtflächen voneinander führt. Bei dem sich dabei bildenden
Spalt im um-Bereich spricht man dann vergleichbar wie bei einer
schwimmenden Lagerung von einem Gas-Schmierfilm. Da die Leckagerate
mit der Spaltgröße ansteigt, ist es leicht einsehbar, daß die
vorauskalkulierte durchschnittliche Leckagemenge sich nur auf den
Neubauzustand beziehen kann. Im Laufe der Betriebsnutzung ändert sich
die Geometrie der Dichtflächen durch den Reststaubanteil des gereinigten
Gases und durch die Betriebsweise, d. h. Anzahl der Stillstände im
Verhältnis zur Betriebslaufzeit der Turbomaschine. Außerdem wird die
Größe des sich einstellenden Dichtspaltes durch die in diesem Bereich
herrschenden Temperaturverhältnisse beeinflußt. Die Änderung des
Dichtspaltes führt zu Änderungen der Gasleckmenge und damit auch zu
einer Veränderung des Druckes in der Zwischendichtungskammer.
Zur Absicherung gegen einen zu hohen Druck in dieser Kammer ist bereits
vorgeschlagen worden, in der abführenden Leckageleitung ein
Überdruckventil anzuordnen. Dieses wird auf einen Druck eingestellt, der
in Relation steht zum abzudichtenden Differenzdruck für die
Zwischendichtung. Übersteigt der Druck in der Zwischendichtungskammer
den eingestellten Druckwert, dann wird das Ventil geöffnet und die
überschüssige Menge abgeblasen. Nachteilig bei diesem Vorschlag ist, daß
eine mögliche Überlastung der Primärdichtung nicht verhindert werden
kann, wenn beispielsweise das Leckageverhältnis zu Gunsten der
Zwischendichtung verschoben und damit das für die Primärdichtung
abzudichtende Druckgefälle zu groß wird.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Regelung des Druckes der
Gasleckagemenge in der Zwischendichtungskammer einer gasgeschmierten
Triple-Gleitringdichtung anzugeben, das eine mögliche Überlastung der
Primär- und/oder Zwischendichtung verhindert.
Diese Aufgabe wird mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1
angegebenen Merkmal gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens ist Bestandteil eines Nebenanspruches.
Kern der Erfindung ist die Überlegung, der zwar absoluten kleinen, aber
schwankenden Leckagemengen der Primär- bzw. Zwischendichtung eine
mehrfache Menge an Gas von außen zu überlagern. Vorzugsweise liegt
diese Mehrfachmenge im Bereich des 4- bis 10fachen der Gas-Leckagemenge
der Primärdichtung. Durch dieses Verfahren wird erreicht, daß
beispielsweise eine Leckagemengenänderung der Primärdichtung von 50%
den Zwischendruck in der Zwischendichtungskammer nur noch um 5-10%
beeinflußt. Der einzige Nachteil, der in Kauf genommen werden muß, ist,
daß eine insgesamt größere Gasmenge über die Primärleckageleitung
abgefackelt wird. Konstruktiv wird das vorgeschlagene Verfahren in der
Weise realisiert, daß die Zwischendichtungskammer über eine
Bypassleitung mit dem zwischen der Labyrinthdichtung und der
Primärdichtung liegenden Gasraum der Turbomaschine verbunden ist. Zur
Einstellung der zugeführten Menge ist in der Bypassleitung ein
Drosselorgan z. B. eine Blende eingebaut.
Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen,
daß der Druck in der Zwischendichtungskammer unmittelbar einer Änderung
des Abdichtdruckes der Turbomaschine folgen kann. Bei der alten
Verfahrensweise war es so, daß eine Änderung des Abdichtdruckes nur ganz
allmählich zu einer Änderung der Leckagemenge führt und in der
Zwischenzeit die Überlastung der Primärdichtung bereits eingetreten sein
kann.
In der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es
zeigt
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer bereits bekannten Lösung,
Fig. 1 eine gleiche Prinzipskizze wie Fig. 2, jedoch mit der
erfindungsgemäßen Lösung,
Fig. 3 die graphische Darstellung der Änderung des
Zwischendruckes bei Änderung des
Abdichtdruckes gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 4 eine graphische Darstellung wie Fig. 3, jedoch mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren.
In Fig. 2 ist in Form einer Prinzipskizze eine bereits bekannte Lösung
für die Druckregelung in der Zwischendichtungskammer dargestellt. Zur
Veranschaulichung ist die Turbomaschine 1 übertrieben klein und die
Wellendichtungsbereiche übertrieben groß dargestellt. Beide Bereiche
sind fast identisch aufgebaut und weisen als wesentliches Element eine
gasgeschmierte Triple-Gleitringdichtung 2 auf. In bekannter Weise setzt
sich eine solche Triple-Gleitringdichtung 2 zusammen aus einer
Primärdichtung 3, einer Zwischendichtung 4 und einer Sekundärdichtung
5. Den Abschluß bildet ein Trennlabyrinth 6, das zwischen der
Sekundärdichtung 5 und dem Lager 7 angeordnet ist. Vom Austrittsstutzen
8 der Turbomaschine 1 oder von einer Zwischendruckstufe zweigt eine
Leitung 9 ab, die mit einer Gasreinigungsanlage 10 verbunden ist. Das
gereinigte Gas wird über eine Leitung 11 der Kammer 12 zwischen der
Labyrinth-Dichtung 13 und der Primärdichtung 3 zugeführt. Die Kammern
14, 15 zwischen der Primärdichtung 3 und der Zwischendichtung 4
einerseits und zwischen der Zwischendichtung 4 und der Sekundärdichtung
5 andererseits sind über Leitungen 16, 17 mit der Primärleckageleitung
18 verbunden. Die letzte Kammer 19 zwischen Sekundärdichtung und dem
Trennlabyrinth 6 ist über eine Leitung 20 mit der Sekundärleckageleitung
21 verbunden. Die Messung der Gasleckagemengen in den mit der
Primärleckageleitung 18 verbundenen Leitungen 16, 17 erfolgt über eine
Blende 22, 23. In der mit der Zwischendichtungskammer 14 verbundenen
Leitung 16 ist ein Überdruckventil 24 angeordnet. Dieses ist so
eingestellt, daß bei einem Anstieg des Druckes in der
Zwischendichtungskammer 14 über einen festgelegten Wert, die
überschüssige Menge abgeblasen wird, um den Druck wieder zu senken.
Fig. 1 zeigt in einer gleichen Prinzipskizze wie Fig. 2 die
erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des vorgeschlagenen
Verfahrens. Um den Blick auf die wesentlichen konstruktiven Unterschiede
zur Anordnung gemäß Fig. 2 zu lenken, ist ein Teil der identischen
Bezugszeichen weggelassen worden. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung
ist die Zwischendichtungskammer 14 über eine Bypassleitung 25 mit der
zwischen der Primärdichtung 3 und der Labyrinthdichtung 13 liegenden
Kammer 12 verbunden. Um die zugeführte Menge von der an der
Turbomaschine 1 liegenden Kammer 12 zur Zwischendichtungskammer 14
regeln zu können, ist in der Bypassleitung 25 eine Blende 26 angeordnet.
Die Blende 22 in der Leitung 16 hat in diesem Ausführungsbeispiel die
Funktion, die Gasleckagemenge in der mit der Primärleckageleitung 18
verbundenen Leitung 16 zu begrenzen. Im Vergleich zu Fig. 2 ist die mit
der Zwischendichtungskammer 14 verbundene abführende Leitung 16 im
Querschnitt dicker gezeichnet, um zu veranschaulichen, daß gegenüber der
bekannten Lösung insgesamt mehr Gas der Fackelstelle zugeführt wird.
Fig. 3 zeigt in einer graphischen Darstellung die Veränderung des
Druckes in der Zwischendichtungskammer 14 bei Normalbetrieb und bei
Anstieg des Abdichtdruckes. Auf der Ordinate ist der Druck P und auf der
Abszisse die Zeit t aufgetragen. Im ersten Feld 30 werden die
Verhältnisse beim Normalbetrieb wiedergegeben. Der Abdichtdruck Pe liegt
bei einem Wert x und der Druck Pz in der Zwischendichtungskammer 14 bei
einem Wert y. Das schraffierte Feld unterhalb Pz soll die mögliche
Schwankungsbreite des Druckes in der Zwischendichtungskammer 14
widerspiegeln. Beispielsweise beträgt der Druck Pz1 in der
Zwischendichtungskammer 14 nur noch 50% des üblichen Druckes Pz. Dies
bedeutet, daß der von der Primärdichtung 3 abzudichtende Differenzdruck
nicht mehr ΔP=x-y ist, sondern ΔP1=x-y1. Je nach Auslegung
der Primärdichtung 3 kann dieser erhöhte Differenzdruck schon zur
Überlastung der Primärdichtung 3 führen. Diese Darstellung ist aber
primär nicht darauf gerichtet, sondern sie soll zeigen, wie der Druck in
der Zwischendichtungskammer 14 sich ändert, wenn der Abdichtdruck Pe
sich beispielsweise wegen einer Störung ändert. Die Verhältnisse sind in
den anschließenden Feldern 31 bis 34 wiedergegeben. Beispielsweise soll
der Abdichtdruck Pe von x auf x1 steigen. Dann beträgt der abzudichtende
Differenzdruck ΔP2=x1-y. Der mögliche Differenzdruck ΔP3
kann unter Berücksichtigung der Schwankungsbreite aber auch x1-y2
betragen, wobei y2 nur ganz geringfügig höher liegt als y1, da die
Gasleckagemenge sich anfänglich nur ganz geringfügig ändert, wenn der
Abdichtdruck von x auf x1 ansteigt. Etwa erst nach der 100fachen Zeit
nach Änderung des Abdichtdruckes Pe von x auf x1 ist der unterste Wert
des Zwischendruckes Pz von y1 auf y3 angestiegen (siehe Feld 34).
Im Unterschied dazu sind in Fig. 4 die Verhältnisse gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Bei gleichem Abdichtdruck Pe
mit einem Wert x ist der abzudichtende Differenzdruck ΔP4 geringer,
da durch die zugeführte Menge in der Zwischendichtungskammer 14 mittels
der Bypassleitung 25 der Druck Pz in der Zwischendichtungskammer 14
höher liegt im Vergleich zu den Verhältnissen in Fig. 3. Durch die
Überlagerung von zugeführter Menge zur absoluten Gasleckagemenge der
Primärdichtung 3 ist hier die mögliche Schwankungsbreite erheblich
geringer und der unterste Wert y5 beträgt hier beispielsweise 13% des
Wertes y4 für den Neubauzustand. Bei einem Druckanstieg des
Abdichtdruckes Pe von einem Wert x auf x1 folgt der Druck Pz in der
Zwischendichtungskammer 14 schon nach wenigen Sekunden der Veränderung
(siehe Feld 36) und nach der doppelten Zeit erreicht er den neuen Wert
y6 bzw. y7 (siehe Feld 38). Auch bei diesem Verfahren steigt der
Differenzdruck ΔP6 etwas gegenüber dem Ausgangswert ΔP4 an, da die
Veränderung des Verdichtungsenddruckes Pe von x auf x1 nicht genau im
Verhältnis 1 : 1 zu einer Änderung des Zwischendruckes Pz führt. Dennoch
ist im Vergleich zu den Verhältnissen in Fig. 3 eine Überlastungsgefahr
nicht gegeben, da der Anstieg des Differenzdruckes klein gegenüber dem
Anstieg des Abdichtdruckes Pe ist.
Claims (3)
1. Verfahren zur Steuerung des Druckes der Gasleckagemenge in der mit
einer Primärleckageleitung verbundenen Zwischendichtungskammer
zwischen der Primär- und Zwischendichtung einer gasgeschmierten
Triple-Gleitringdichtung einer Turbomaschine zur Verdichtung von
Gasen insbesondere von Prozeßgasen auf ein Druckniveau von
<120 bar,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zwischendichtungskammer eine mehrfache Menge der
durchschnittlichen Gas-Leckagemenge der Primärdichtung aus dem Raum vor der Primärdichtung gesteuert
zugeführt wird und die nicht über die Zwischendichtung
abfließende Gasmenge auf Fackeldruck in die Primärleckageleitung
entspannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zugeführte Mehrfachmenge im Bereich des 4- bis 10fachen
der Gas-Leckagemenge der Primärdichtung liegt.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit
einer Turbomaschine, deren aus dem Gehäuse sich erstreckende
Wellen mit einer gasgeschmierten Triple-Gleitringdichtung
abgedichtet sind und die Zwischendichtungskammern zwischen der
Primär- und Zwischendichtung mit einer eine Blende aufweisenden
Primärleckageleitung verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischendichtungskammer (14) über eine ein Drosselorgan
(26) aufweisende Bypassleitung (25) mit dem zwischen der
Labyrinth-Dichtung (13) und der Primärdichtung (3) liegenden
Gasraum (12) verbunden ist.
Priority Applications (3)
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DE4216006A DE4216006C1 (de) | 1992-05-12 | 1992-05-12 | |
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Country Status (3)
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