DE4328856C2 - Sperrgasabdichtung an einer Welle einer Durchführung eines unter Überdruck stehenden Gehäuses, insbesondere einer Gichtgasentspannungsturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sperrgasabdichtung an einer Welle einer Durchführung eines unter Überdruck stehenden Gehäuses insbesondere einer Gichtgasentspannungsturbine, bestehend aus mehreren gehäusefesten, stirnseitig dichtend hintereinander angeordneten Gleitringdichtungen, von denen mindestens zwei benachbarte Gleitringdichtungen zwischen sich und der Welle einen mit Sperrgas beaufschlagten Ringraum bilden.

Gichtgasentspannungsturbinen werden beispielsweise in Hochofenanlagen eingesetzt, um die im Gichtgas enthaltene Druckenergie in elektrischen Strom umzuwandeln. Zu diesem Zweck wird das beim Hochofenbetrieb entstehende Gichtgas in die Turbine eingeleitet und treibt diese unter Entspannung des Gichtgases an. Zur Stromerzeugung ist auf der verlängerten Turbinenwelle ein Generator angeordnet. Da der Innenraum des Gehäuses der Turbine sowohl beim Stillstand als auch im Betrieb der Turbine unter hohem Druck steht, muß die Durchführung der Welle durch das Gehäuse absolut gasdicht sein, da Hochofengas einen erheblichen Anteil giftigen CO-Gases enthält, das nicht in die Atmosphäre, insbesondere nicht in die Halle ausströmen darf, in der die Turbine betrieben wird. Ferner muß verhindert werden; daß aus der Atmosphäre Luftsauerstoff in das Dichtungssystem und das Innere des Gehäuses der Turbine eindringt, da es mit dem CO-Gas ein explosionsfähiges Gemisch bilden kann.

Bei einer bekannten Sperrgasabdichtung der eingangs genannten Art (DE 31 25 642 C2) bestehen die Gleitringdichtungen aus elastischen Dichtungsringen, die in einem gemeinsamen, gehäusefesten Träger angeordnet sind und gegen die Welle gepreßt sind. Zum Abbau des Druckunterschiedes zwischen dem Inneren des Gehäuses und dem Äußeren des Gehäuses sind zwischen allen benachbarten Gleitringdichtungen Ringräume vorgesehen, von denen ein Ringraum mit Sperrgas beaufschlagt wird, während aus dem anderen Ringraum Leckgas- abgeführt wird. Nachteilig an dieser Sperrgasabdichtung ist, daß die Dichtringe leicht verschleißen, insbesondere wenn das zum Betrieb der Turbine eingesetzte Gas Staubpartikel enthält, wie es bei Hochofengichtgas der Fall ist. Deshalb ist eine solche Sperrgasabdichtung für den Einsatz einer mit Gichtgas betriebenen Entspannungsturbine ungeeignet.

Ferner ist eine Flüssigkeitsabdichtung an einer Welle bekannt (GB 864 557), bei der ein zylindrischer, abzudichtender Spalt zwischen dem drehenden und dem nicht drehenden Teil eine nach dem Prinzip einer Schneckenpumpe ausgebildete spiralförmige Spaltringdichtung aufweist, die bei Drehung der Welle in Richtung eines abzudichtenden Gehäuses fördert. In diese Spaltringdichtung mündet auf der gehäuseabgewandten Seite ein Kanal, über den die Spaltringdichtung mit einer inkompressiblen Flüssigkeit, und zwar Öl, beaufschlagt wird. Dieses Öl baut einen Gegendruck gegenüber im Betrieb in die spiralförmige Spaltringdichtung eindringende pastöse Flüssigkeit, nämlich Gummi, aus dem Gehäuse auf. Bei dieser bekannten Flüssigkeitsabdichtung stellt diese spiralförmige Spaltringdichtung die einzige Abdichtung gegenüber der Außenatmosphäre dar. Bei zähflüssigen und pastösen Medien mag das ausreichen; für eine Sperrgasabdichtung aber ist eine solche Abdichtung nicht geeignet, weil kompressible Gase ein ganz anderes Verhalten als nicht kompressible Flüssigkeiten haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sperrgasabdichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sowohl bei Stillstand als auch bei sich drehender Turbine gute Dichtungseigenschaften besitzt und darüber hinaus einen möglichst geringen Aufwand an Wartungs- und Reparaturarbeiten notwendig macht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der dem Gehäuse zugewandten Seite der Gleitringdichtungen eine nach dem Prinzip einer Schneckenpumpe bei drehender Welle in Richtung des Gehäuses fördernde spiralförmige Spaltringdichtung vorgesehen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Sperrgasabdichtung wird im Betrieb das eventuell mit Staubpartikeln beladene Gas von den Gleitringdichtungen durch die von den Gleitringdichtungen weg fördernde nach dem Prinzip einer Schneckenpumpe wirkenden, an sich bekannten Spaltringdichtung ferngehalten, so daß es nicht zu einem erhöhten Verschleiß zwischen den Spaltringdichtungen und der Welle durch bis hierhin gelangende Staubpartikel kommen kann. Da die Förderwirkung der Spaltringdichtung mit dem Druck zunimmt, ist gewährleistet, daß die Spaltringdichtung nicht von einem unzulässig hohen Druck beaufschlagt wird. Diese druckmäßige Entlastung kann so weit gehen, daß an der ersten dem Gehäuse zugewandten Gleitringdichtung lediglich der Druck des Sperrgases anliegt. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, weil während des Betriebes der Druck in der Turbine wesentlich höher als im Ruhezustand ist. Die Gleitringdichtung braucht daher lediglich für den im Ruhezustand der Turbine herrschenden Druck ausgelegt zu sein, während bei Betrieb der Turbine der höhere Druck durch die Spaltringdichtung abgebaut wird. Während im Betrieb durch die Förderwirkung der Spaltringdichtung in Richtung des Inneren des Gehäuses mit Staubpartikeln beladenes Gas nicht bis an die Gleitringdichtungen gelangen kann, ist dies allerdings im Ruhezustand grundsätzlich möglich. In diesem Fall führt dies aber nicht zu einem Verschleiß durch Abrieb, weil dafür eine Relativbewegung nötig ist, die bei nicht drehender Turbine nicht stattfindet. Um aber auch im Ruhezustand das mit Staubpartikeln beladene Gas von den Gleitringdichtungen fernzuhalten, kann zwischen den Gleitringdichtungen und der Spaltringdichtung ein zur Spaltringdichtung offener mit Sperrgas beaufschlagter Ringraum vorgesehen sein.

Bei mehreren hintereinander angeordneten Ringräumen sollte die Druckbeaufschlagung der Ringräume vom Inneren des Gehäuses zum Äußeren des Gehäuses stufenweise abnehmen.

Der Querschnitt der als Nut ausgebildeten Spaltringdichtung ist vorzugsweise rechteckig bis trapezförmig. Die Flanken sind zur Verbesserung der Strömung und des Druckaufbaus vorzugsweise evolventenförmig. Die Spaltringdichtung soll aus mehrgängigen, spiralförmig verlaufenden Nuten bestehen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Nut im Mantel eines mit seiner Basis dem Gehäuse zugewandten kegelstumpfförmigen Hohlkörpers ausgebildet. Dieser erleichtert die Montage.

Die Gleitringdichtungen können aus mehreren Segmenten bestehen, die mittels Ringfedern gegen die Welle gedrückt werden. Durch drei axiale Zentrierbolzen sind sie gegen gegenseitiges Verdrehen gesichert. Die Zentrierbolzen werden in einer gehäusefesten Führung gehalten sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Die beiliegende einzige Figur zeigt einen Halbschnitt einer Sperrgasabdichtung an einer Welle einer Durchführung eines Gehäuses.

Auf einer Welle i einer in der Zeichnung nicht dargestellten Gichtgasentspannungsturbine sitzen drehfest ein kegelstumpfförmiger Hohlkörper 2 und eine Laufbüchse 3 mit hartverchromter Oberfläche 3a. Eine Quetschdichtung 4 sitzt dichtend auf der Welle 1 zwischen dem Hohlkörper 2 und der Laufbüchse 3. Dem Hohlkörper 2 ist ein entsprechend kegelig geformter Hohlkörpers zugeordnet, der in einer Durchführung 6a eines Gehäuses 6 drehfest und dicht sitzt. Die beiden Hohlkörper 2, 5 bestehen aus hochverschleißfestem, korrosionsbeständigem Werkstoff. Zwischen ihnen befindet sich ein kleiner Spalt 7, so daß sich die beiden Hohlkörper 2, 5 nicht berühren. In dem Mantel des Hohlkörpers 2 ist eine spiralförmig verlaufende Nut 8 mit im wesentlichen trapezförmigem Querschnitt und evolventenförmig verlaufenden Flanken ausgebildet. Diese Nut 8 bildet mit der gegenüberliegenden drehfesten Wand 5a des Hohlkörpers 5 eine ans sich bekannte Spaltringdichtung, die bei drehender Welle 1 nach dem Prinzip einer Schneckenpumpe arbeitet.

Auf der Laufbüchse 3 sitzen hintereinander drei als Gleitringdichtungen wirkende Gleitlager 9, 10, 11, die jeweils aus mehreren Ringsegmenten bestehen und durch Ringfedern 12, 13, 14 gegen die hartverchromte Oberfläche 3a der Laufbüchse 3 gedrückt werden. Drei sie axial durchsetzende achsparallele Zentrierbolzen 15 verhindern, daß sich die Gleitringdichtungen 9-11 gegeneinander verdrehen. Die Zentrierbolzen 15 sitzen mit enger Passung in einer Ringscheibe 16, die an einer Hülse 17 angeformt ist, die ihrerseits mittels eines Bolzens 18 an einer stirnseitigen, am Gehäuse 6 angeschraubten Platte 19 befestigt ist. Auf diese Art und Weise werden die Gleitringdichtungen 9-11 gegen Verdrehung gegenüber dem Gehäuse 6 gesichert.

Die Zentrierbolzen 15 nehmen je zwei Druckfedern 15a und 15b auf, wobei die Federn 15a die Schultern der Gleitlager 9 und 10 gegen die Flächen des Hohlkörpers und der Ringscheibe 16 und die Federn 15b das Gleitlager 11 gegen die Fläche der angeschraubten Platte 19 pressen.

Stirnseitig zwischen den einzelnen Gleitringdichtungen 9-11 sind Schultern 9a, 10a, 11a vorgesehen, wodurch radiale Kanäle zwischen den Stirnseiten der Gleitringdichtungen 9-11 und Ringräume 20, 21 gebildet werden. Ein weiterer Ringraum 22 ist auch zwischen der ersten Gleitringdichtung 9 und der Spaltringdichtung 8 vorgesehen. Diesen Ringräumen 20-22 wird Sperrgas über Anschlüsse 23, 24, 25 im Gehäuse 6 zugeführt, und zwar Sperrgas mit von der Spaltringdichtung 8 zur Gleitringdichtung 11 stufenweise abnehmendem Druck.

Die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels der beschriebenen Sperrgasabdichtung ist folgende:

Sowohl bei stillstehender Welle 1 als auch bei sich drehender Welle i wird den Ringräumen 20-21 Sperrgas zugeführt. Das Gichtgas im Inneren des Gehäuses kann bei stillstehender Welle 1 weit in die Spaltringdichtung 8 gelangen. Wegen des Sperrgases im Ringraum 22 wird es jedoch von den Gleitringdichtungen 9-11 ferngehalten. Bei stillstehender Welle übernehmen ausschließlich die Gleitringdichtungen 9-11 die Abdichtung. Stufenweise wird der Druck abgebaut.

Bei laufender Welle 1 ist der Druck im Inneren des Gehäuses größer als bei Stillstand. Dieser erhöhte Druck wird dann aber durch die Förderwirkung der Spaltringdichtung 8 abgebaut, so daß auch in diesem Fall die Gleitringdichtungen 9-11 nicht höher belastet werden.

In jedem Fall wird verhindert, daß mit Staubpartikeln beladenes Gas aus dem Innern des Gehäuses 6 in den Bereich der Gleitringdichtungen 9-11 gelangen kann und hier durch Reibung Abrieb verursachen kann.

Claims (9)

1. Sperrgasabdichtung an einer Welle (1) einer Durchführung eines unter Überdruck (6a) stehenden Gehäuses (6), insbesondere einer Gichtgasentspannungsturbine, bestehend aus mehreren gehäusefesten stirnseitig dichtend hintereinander angeordneten Gleitringdichtungen (9, 10, 11), von denen mindestens zwei benachbarte Gleitringdichtungen (9, 10, 11) zwischen sich und der Welle (1) einen mit Sperrgas beaufschlagten Ringraum (20, 21) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Gehäuse (6) zugewandten Seite der Gleitringdichtungen (9, 10, 11) eine nach dem Prinzip einer Schneckenpumpe bei drehender Welle (1) in Richtung des Gehäuses (6) fördernde, spiralförmige Spaltringdichtung (5a, 8) vorgesehen ist.

2. Sperrgasabdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Gleitringdichtungen (9, 10, 11) und der Spaltringdichtung (5a, 8) ein zur Spaltringdichtung (5a, 8) offener, mit Sperrgas beaufschlagter Ringraum (22) vorgesehen ist.

3. Sperrgasabdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagung der Ringräume (20, 21, 22) vom Inneren des Gehäuses (6) zum Äußeren des Gehäuses (6) abnimmt.

4. Sperrgasabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltringabdichtung (5a, 8) eine im Querschnitt rechteckige bis trapezförmige Nut (8) aufweist.

5. Sperrgasabdichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der Nut (8) evolventenförmig sind.

6. Sperrgasabdichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (8) im Mantel eines mit seiner Basis dem Gehäuse (6) zugewandten kegelstumpfförmigen Hohlkörpers (2) ausgebildet ist.

7. Sperrgasabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitringdichtungen (9, 10, 11) mittels Ringfedern (12, 13, 14) gegen die Welle (1) gedrückt werden.

8. Sperrgasabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitringdichtungen (9, 10, 11) durch einen oder mehrere gemeinsame axiale Zentrierbolzen (15) gegen gegenseitiges Verdrehen gesichert sind.

9. Sperrgasabdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierbolzen (15) in einer gehäusefesten Führung (16) gehalten ist.