Anordnung, insbesondere Turbomaschine, umfassend eine

Wellendichtungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, insbesondere Turboma- schine, umfassend

- eine Welle, die sich entlang einer Achse erstreckt,

- eine Wellendichtungseinrichtung zur Abdichtung eines Ringspaltes zwischen der Welle und einem Stator von einem Prozessfluidraum zur Umgebung,

- wobei die Wellendichtungseinrichtung eine Ferroflu- idwellendichtung aufweist, wobei seitens des Pro zessfluidraumes die Wellendichtungseinrichtung neben der Ferrofluidwellendichtung eine Zusatzwellendich tung umfasst,

- wobei die Ferrofluidwellendichtung an dem Ringspalt axial zwischen der ersten Wellendichtung und der Um gebung angeordnet ist, wobei an dem Ringspalt axial zwischen der Zusatzwellendichtung und der Ferroflu- idwellendichtung eine Drucksenke vorgesehen ist.

Eine derartige Anordnung mit einer Wellendichtungseinrichtung ist bereits aus der WO 2014/146956 Al bekannt.

Aus der WO 92/13216 Al ist außerdem bereits bekannt,

- dass seitens des Prozessfluidraumes die Wellen

dichtungseinrichtung neben der Ferrofluid- wellendichtung eine Zusatzwellendichtung umfasst,

- wobei die Ferrofluidwellendichtung an dem Ringspalt axial zwischen der ersten Wellendichtung und der Umgebung angeordnet ist,

- wobei an dem Ringspalt axial zwischen der Zu- satzwellendichtung und der Ferrofluidwel

lendichtung eine Drucksenke vorgesehen ist.

Werden Turbomaschinen von Prozessfluiden durchströmt, ist es in der Regel erforderlich, eine mechanische Leistung mittels einer Welle aus einem mit einem Prozessfluid gefüllten Raum in die Umgebung zu übertragen. Zur Abgrenzung des mit dem Prozessfluid gefüllten Raums zur Umgebung ist ein Stator bzw. ein Gehäuse oder Druckbehälter vorgesehen, der im Bereich der Wellendurchführung eine Wellendichtung aufweist, die den Spalt zwischen der Welle und dem Stator abdichtet. Bei der Wellendichtungseinrichtung handelt es sich um eine Schlüssel komponente, da auch bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten eine nur minimale Leckage - teilweise bis zur vollkommenen Dicht heit - gewünscht ist. Eine Ausnahme von dem beschriebenen Prinzip stellt eine Turbomaschine mit einem integrierten Mo tor oder Generator dar, so dass die Strömungsarbeit direkt als elektrische Leistung über die Statorgrenze hinweg über tragen werden kann. Derartige Anordnungen sind vergleichswei se kostspielig und daher häufig nicht wirtschaftlich erfolg reich. Insbesondere bei gefährlichen, z. B. toxischen Fluiden ist eine sichere leckagefreie Abdichtung der Turbomaschine essentiell. Flüssigkeitsgeschmierte Dichtungen erfüllen re gelmäßig annähernd derartige Anforderungen, wobei ein stets anfallender Verlust an Sperrfluid durch beispielsweise das vorbeiströmende Prozessfluid ausgeglichen werden muss. Der Nachschub von geeignetem Sperrfluid ist aufwendig und kost spielig und daher von dem Kunden nicht erwünscht bzw. minimal zu halten. Eine Möglichkeit, den Verlust an Sperrfluid zu mi nimieren, besteht mit dem Einsatz einer Ferrofluiddichtung, die eine Reduktion des Ferrofluids durch vorbeiströmendes Prozessfluid in Folge der zusätzlich aufgebrachten Magnet kräfte effektiv reduziert. Ein Nachteil der Ferrofluiddich tung besteht jedoch darin, dass die in Turbomaschinen allfäl ligen Druckdifferenzen regelmäßig zu hoch sind.

Ausgehend von den Problemen und Nachteilen des Standes der Technik hat sich die Erfindung die Aufgabe gesetzt, eine Wel lendichtungseinrichtung für eine Turbomaschine bereitzustel len, die eine sehr geringe - bevorzugt nahezu gar keine - Le ckage bei gleichzeitig verhältnismäßig geringen Betriebskos ten aufweist. Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Anordnung der eingangs definierten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des Kennzeichens des Hauptanspruchs vorgeschlagen.

Die Erfindung erreicht mittels der erfindungsgemäßen Kombina tion aus Ferrofluidwellendichtung und Zusatzwellendichtung sowie der dazwischen befindlichen Drucksenke die Möglichkeit, die Ferrofluidwellendichtung auch beispielsweise an Turboma- schinen mit hohen Maximaldrücken einzusetzen und auf diese Weise eine Alternative zu hermetischen Anordnungen ohne Wel lendichtungen zu schaffen. Hierbei gelingt es der Erfindung nicht nur, eine Tauglichkeit für hohe Absolutdrücke in der Turbomaschine der Anordnung zu erreichen, sondern auch ein erhöhtes Maß an Sicherheit, indem als Zusatzwellendichtung insbesondere eine bewährte und ausfallsichere Konstruktion eingesetzt werden kann. Hier bietet sich insbesondere die Verwendung einer Labyrinthdichtung an, die infolge der Ein fachheit ein Höchstmaß an Betriebssicherheit bietet. Insbe sondere kann eine derartige Zusatzwellendichtung unabhängig von Hilfsenergiezuspeisungen ausgebildet sein. In diesem Sin ne ist die Ferrofluidwellendichtung bevorzugt mittels eines Permanentmagneten magnetisiert, so dass auf diese Weise eine Unabhängigkeit von einer Hilfsenergie gegeben ist.

Bevorzugt weist die Ferrofluidwellendichtung ein Ferrofluid auf, bei dem in einer Trägerflüssigkeit kolloidial suspen dierte Partikel aus Eisen und/oder Magnetit und/oder Kobalt vorgesehen sind. Alternativ oder zusätzlich kann das Ferro fluid als ionische Flüssigkeit ausgebildet sein, wobei sich die Ionen, Kationen oder Anionen in der Lösung magnetisch verhalten. Als Trägerflüssigkeit kommen im Stand der Technik bekannte verschiedene Möglichkeiten in Frage, beispielsweise Kohlenwasserstoffe bzw. Öle oder Wasser.

Besonders zweckmäßig weist die Anordnung einen Ferrofluidvor- ratsbehälter auf, in dem Ferrofluid gespeichert ist. Dieser Ferrofluidvorratsbehälter steht mit Leitungen zur Zufuhr oder Ableitung des Ferrofluids zu der Ferrofluiddichtung in Ver- bindung. Auf diese Weise können Verluste an Ferrofluid im Be reich der Ferrofluiddichtung ausgeglichen werden und es kann eine Aufbereitung des Ferrofluids erfolgen, so dass etwaige Verunreinigungen oder sonstige Veränderungen des Ferrofluids rückgängig gemacht werden können. Daneben ist eine Aufberei tung im Sinne einer Kühlung des Ferrofluids bei erhöhten Rei bungsverlusten, die nicht mittels einfacher Konvektion oder Wärmeleitung abgeführt werden können, sinnvoll. Bevorzugt dem Ferrofluidvorratsbehälter angegliedert ist hierbei eine Fil terung und/oder eine Abscheidung für Verunreinigungen des Ferrofluids, eine Kühlung bzw. eine Temperierung und/oder ei ne Pumpe, die das Ferrofluid auf den benötigten Versorgungs druck bringt.

Besonders zweckmäßig ist eine Ausbildung der Ferrofluiddich tung und des Lagers als ein kombiniertes Bauteil, wobei das Ferrofluid für das Lager bevorzugt als Schmiermittel vorgese hen ist. Die Ausbildung als ein kombiniertes Bauteil bedeu tet, dass zumindest eine Fortsetzung des Bereichs der Welle, der der Lagerung dient, auch gleichzeitig der Bereich ist, an dem die Ferrofluiddichtung dichtet. Hierbei ist es grundsätz lich auch denkbar, dass das Lager ein Axiallager ist und die Ferrofluiddichtung einen sich in Axialrichtung erstreckenden Spalt abdichtet. Eine Kombination der Ferrofluiddichtung und des Lagers, das die Welle mittels eines Schmierfilms unter stützt, liegt im Sinne dieser Erfindung auch schon dann vor, wenn der Ferrofluidvorratsbehälter gleichzeitig auch der Vor ratsbehälter für das Schmiermittel des Lagers ist bzw. das Ferrofluid gleichzeitig Sperrmedium für die Wellendichtung und Schmiermittel für das Lager ist. Hierbei ist es zweckmä ßig, wenn eine Aufbereitungseinheit, die mit dem Ferrofluid- behälter in Verbindung steht, eine Pumpe aufweist, die einen Versorgungsdruck für die Ferrofluiddichtung und die Zufuhr des Ferrofluids zu dem Lager als Schmiermittel bereit stellt. Hierbei ist es sinnvoll, wenn die Zufuhr des Ferrofluids zu der Ferrofluiddichtung mit einem ersten Druck erfolgt und die Zufuhr des Ferrofluids als Schmiermittel zu dem Lager mit ei nem zweiten Druck erfolgt, der bevorzugt unterschiedlich zu dem ersten Druck ist. Diese unterschiedlichen Drücke lassen sich entweder mittels zwei unterschiedlicher Pumpen erzeugen oder bevorzugt mittels mindestens einer bevorzugt verstellba ren Drossel in mindestens einer Zuführleitung zu dem Lager und oder der Ferrofluiddichtung .

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Aus führungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung eines

Längsschnitts durch eine erfindungs gemäße Anordnung, nämlich eine Tur- bomaschine,

Figuren 2, 3: jeweils eine schematische Darstel lung einer erfindungsgemäßen Wellen dichtungseinrichtung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Längs schnitts durch eine Turbomaschine TM. Die Turbomaschine TM ist als eine erfindungsgemäße Anordnung AR ausgebildet und umfasst eine Welle SH, die sich entlang einer Achse X er streckt. Eine Wellendichtungseinrichtung SHS zur Abdichtung eines Ringspalts GP zwischen der Welle SH und einem Stator STT ist vorgesehen, um einen Prozessfluidraum PFC zur Umge bung AMB gegen einen Austritt von Prozessfluid PF abzudich ten. In dem konkreten Fall handelt es sich bei dem Stator STT um einen Teil eines Gehäuses CAS bzw. eines Druckbehälters, der den erhöhten Druck gegenüber der Umgebung AMB des Pro zessfluids PF im Inneren hält. Das Gehäuse CAS weist axial beidseitig jeweils einen Deckel COV auf, der Bestandteil des Gehäuses CAS bzw. des Stators STT ist. Grundsätzlich sind Be griffe wie axial, radial, tangential oder Umgebungsrichtung bezogen auf die Achse X der Welle SH. Die Turbomaschine TM der Figur 1 ist als Turboverdichter in radialer Bauweise aus gebildet. Im Inneren des Gehäuses CAS befindet sich eine Zu strömung INL und eine Abströmung EXT. Im Strömungspfad zwi- sehen der Zuströmung INL und der Abströmung EXT sind radiale Verdichterstufen in Form von Laufrädern IMP vorgesehen, die das Prozessfluid PF axial ansaugen und nach radial außen be schleunigen. Zwischen den einzelnen Laufrädern IMP befinden sich Rückführstufen RTC, die das Prozessfluid von radial au ßen nach radial innen umlenken und dem nachfolgenden Laufrad axial zuführen. Die Welle SH ist von Lagern RB gestützt, die hier als Radiallager ausgebildet sind und die Welle SH in ei ner bestimmten Radialposition halten. Eine axiale Lagerung ist nicht abgebildet aber vorgesehen. Linksseitig der Turbo- maschine TM in der Figur 1 befindet sich die Saugseite, wo sich auch die Zuströmung INL befindet und rechtsseitig die Druckseite mit der Abströmung EXT. Naturgemäß ist bei einem Verdichter die Druckseite durch einen höheren Druck des Pro zessfluids in dem Strömungspfad belastet.

In den Figuren 2, 3 ist jeweils eine schematische Darstellung der Wellendichtungseinrichtung SHS und der Lager RB wiederge geben. Die schematischen Darstellungen beschränken sich auf eine linksseitige Axialseite einer Turbomaschine TM. Grund sätzlich ist eine im Wesentlichen spiegelverkehrte Ausbildung zur rechtsseitigen Anordnung bei einer Turbomaschine ebenso möglich .

Die Figuren 2 und 3 zeigen einen Ausschnitt der Welle SH, die sich entlang der Achse X erstreckt. Der Fokus der Darstellung ist die Wellendichtungseinrichtung SHS. Die Wellendichtungs einrichtung SHS umfasst eine erste Wellendichtung SHS1 und eine zweite Wellendichtung SHS2. Die zweite Wellendichtung ist jeweils als eine Ferrofluidwellendichtung FFS ausgebil det. Die erste Wellendichtung SHS1 kann im Grunde jede kon ventionelle Wellendichtung sein und ist in der Figur 2 exemp larisch als die bevorzugte Ausführungsart einer Labyrinth dichtung LBY angegeben. Naturgemäß hat die konventionelle erste Wellendichtung SHS eine Leckage, die die erste Wellen dichtung SHS1 von dem Inneren des Prozessfluidraums PFC in Richtung der Umgebung AMB durchströmt. Die erste Wellendich tung SHS1 baut eine erste Druckdifferenz Drΐ ab, wobei der Enddruck der ersten Druckdifferenz Drΐ durch den Druck einer Drucksenke SUC bestimmt ist. Bevorzugt ist die Drucksenke SUC mittels einer Leitung mit der Saugseite bzw. der Zuströmung INL der Turbomaschine TM verbunden. Diese Verbindung ist hier nicht dargestellt. Die verbleibende zweite Druckdifferenz Dr2 zur Umgebung AMB wird mittels einer zweiten Wellendichtung SHS2 abgedichtet, wobei die zweite Wellendichtung SHS2 als Ferrofluidwellendichtng FFS ausgebildet ist. Die Ferrofluid- wellendichtung FFS weist einen Permanentmagneten MAG auf, der mittels Polschuhe PLS das Magnetfeld in den Bereich eines Ringspaltes GP zwischen der Ferrofluidwellendichtung FFS und der Welle SH überträgt. In dem Spalt GP ist ein Ferroflu- id MFL als Bestandteil der Ferrofluidwellendichtung FFS vor gesehen. Das Ferrofluid MFL wird durch das von dem Permanent magneten MAG erzeugte und mittels der Polschuhe PLS in den Bereich des Spaltes GP übertragene Magnetfeld an Ort und Stelle gehalten, so dass eine Dichtwirkung die zweite Druck differenz Dr2 aufrecht erhält. Mittels Leitungen COD steht die Ferrofluidwellendichtung FFS mit einem Ferrofluidvorrats- behälter MFT in Verbindung, so dass eine Zu- und Abfuhr von Ferrofluid MFL in den Bereich des Ringspaltes GP erfolgt. Dem Ferrofluidvorratsbehälter MFT ist eine Vorrichtung zur Aufbe reitung des Ferrofluids MFL angegliedert. Diese Aufberei tungsvorrichtung umfasst einen Filter FLT, einen Kühler COL, der Abwärme Q abführt, wobei der Filter FLT das abgeschiedene Retentat WST aus dem Ferrofluid MFL entfernt. Weiterhin um fasst die Aufbereitung eine Förderung des Ferrofluids MFL auf einen höheren Versorgungsdruck mittels einer Pumpe PMP, so dass eine Zirkulation des Ferrofluids MFL gewährleistet ist. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist ein ölgeschmiertes Lager RB vorgesehen, das die Welle SH mittels eines Ölfilms OLF unterstützt. In üblicher Art unterliegt das Schmiermittel OIL des Ölfirnis OLF einem permanenten Austausch zur Aufberei tung (Druckerhöhung, Filterung, Kühlung.... ).

Da sich die Aufbereitung des Schmiermittels OIL des Lagers RB und die Aufbereitung des Ferrofluids MFL ähneln, ist in Figur 3 eine Kombination des Lagers RB und der zweiten Wellendich- tung SHS2 bzw. der Ferrofluidwellendichtung FFS dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel werden sowohl die Ferrofluidwel- lendichtungen FFS als auch das Lager RB mit Ferrofluid MFL versorgt, das gleichzeitig die Eigenschaften des Schmiermit tels OIL aufweist. In nicht dargestellter Weise ist in einer Aufbereitungseinheit des Ferrofluidvorratsbehälters MFT eine Pumpe vorgesehen, die das Ferrofluid MFL auf einen Versor gungsdruck befördert. Da der Versorgungsdruck für die Ferro- fluiddichtung niedriger ist als für das Lager RB, ist in der Zuführleitung zu der Ferrofluiddichtung FFS eine Drossel THR vorgesehen. Grundsätzlich ist es zweckmäßig, in allen Zuführ leitungen verstellbare Drosseln THR vorzusehen und den Be triebsdruck entsprechend anzupassen. Der Abbau der zweiten Druckdifferenz Dr2 erfolgt nun unmittelbar im Bereich des La gers RB mittels der dort integrierten Ferrofluidwellendich tung FFS. Der abzudichtende Ringspalt GP ist hierbei unmit telbare Fortsetzung eines Lagerspaltes des Lagers RB . Diese Anordnung sorgt für eine besondere Kompaktheit, da der Raum bedarf für Lager und Ferrofluiddichtung in der Kombination geringer ist als in Einzelausführung. Gleichzeitig ist die besonders kostspielige Bereitstellung von zwei unterschiedli chen Betriebsmedien (Schmieröl OIL, Ferrofluid MFL) reduziert worden auf ein einziges Betriebsmittel (Ferrofluid MFL) , das gleichzeitig als Sperrfluid und als Schmiermedium Einsatz findet. Dementsprechend zeigt die Figur 3 ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung gemäß der Erfindung, wobei ein Lager und eine Ferrofluiddichtung mit dem gleichen Betriebsmedium versorgt werden, um einerseits den Schmierfilm in dem Lager aufrecht zu erhalten und andererseits die Sperrwirkung der Ferrofluiddichtung FFS zu erzeugen.