Gas-Lager, Anordnung und Turbomaschine Die Erfindung betrifft eine Gas-Dichtung, zur Wellen- Abdichtung eines sich entlang einer Achse erstreckenden Rotors an mindestens einer Dichtungsstelle umfassend

- mindestens eine stehende Dichtungsfläche,

- mindestens einen stehenden Dichtungskörper.

Eine Gasdichtung der eingangs genannten Art ist im Wesentli ^¬ chen in vielen herkömmlichen Turbomaschinen umgesetzt. Viele dieser Dichtungen, insbesondere Trockengasdichtungen benötigen besonders aufbereitetes Dichtungsgas - in der Terminolo- gie der Erfindung Modulgas.

Ausgehend von bekannten Dichtungen mittels Sperrgas hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, diese Dichtungen derart weiterzubilden, dass sich eine weitgehende Vereinfachung bei der Umsetzung in Systemen ergibt. Diese Systeme sind bei ^¬ spielsweise Turbomaschinen, insbesondere Verdichter oder Expander, hier insbesondere Turbinen, wie Dampfturbinen oder Gasturbinen . Weiterhin setzt sich die Erfindung mit der Lösung von Lagerungsproblemen bei Turbomaschinen auseinander.

Gas-Lager mit einem porösen Körper als Gleitkörper sind bereits aus dem Patent US 7,908,995 B2 bekannt und haben den Vorteil, dass die Ausbildung eines aerodynamischen Schmier- films - wie vergleichsweise bei ölgeschmierten Gleitlagern sich ein hydrodynamischer Schmierfilm ausbildet - nicht zwingend erforderlich ist. Für den beschädigungsfreien Betrieb des Lagers. Es ist bekannt, dass sich hydrodynamische oder aerodynamische Schmierfilme erst bei einer gewissen Relativ- geschwindigkeit zwischen der stehenden Lageroberfläche und der bewegten Lageroberfläche ausbilden. Unter dieser Relativgeschwindigkeit, welche bei der Lagerung von Rotoren mit be ^¬ stimmten Wellenzapfendurchmessern einer bestimmten Drehzahl entspricht, tritt sog. Mischreibung ein, bei der ein erhöhter Verschleiß der Lageroberflächen unvermeidbar ist. Dementsprechend ist es erforderlich, den Mischreibungszustand zu ver ^¬ meiden. Im Fall von Öllagern wird dies häufig mittels sog. "Anhebeöls" getan, welches in ausgefräste Taschen der Gleit ^¬ lagerschale unter hohem Druck gegeben wird, so dass der Rotor mit seinem Lagerzapfen von dem Öldruck unter Ausbildung eines Schmierfilms aufschwimmt. Bei herkömmlichen Gas-Lagern ohne den oben definierten porösen Körper besteht ein Problem erhöhten Verschleißes bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten zwischen dem bewegten und dem stehenden Lagerkörper. Regelmäßig sind zur Verschleißmi- nimierung bei diesen herkömmlichen Lagertypen Hilfslager oder sog. Fanglager eingesetzt, die bei unzureichender Drehzahl die fluidgeschmierten Gleitlager unterstützen oder vollständig ersetzen. Diese Hilfslager können beispielsweise als Ku ^¬ gellager oder ebenfalls als Gleitlager ausgebildet sein. Ausgehend von bekannten Lagern hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, diese Lager derart weiterzubilden, dass eine besondere Eignung für die Anwendung bei Systemen mit einem Differenzdruck gegeben ist. Diese Systeme sind beispielsweise Turbomaschinen, insbesondere Verdichter oder Expander, hier insbesondere Turbinen, wie Dampfturbinen oder Gasturbinen.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Gas-Lager der eingangs genannten Art vorgeschlagen mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 2. Jeweils rückbezogene Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiter ^¬ bildungen der Erfindung.

Ein Vorteil, der sich aus der Weiterbildung der Erfindung ergibt, ist die Kombination der Funktionen Lagerung und Dich- tung in einem einzigen Bauteil. Vergleichbar mit der Zuführung von Sperrgas bei beispielsweise Anordnungen mit laby ^¬ rinthartigen Wellendichtungen oder Trockengasdichtungen ermöglicht die Erfindung eine Kombination der Lagerung mit der Dichtung, wobei die Dichtung in Folge der Möglichkeit besonders enge Spalte zu realisieren eine äußerst niedrige Leckage aufweist. Die Berührungslosigkeit der Dichtung in allen Dreh ^¬ zahlbereichen bedingt einen nahezu verschleißfreien Betrieb des erfindungsgemäßen Gas-Lagers mit minimalem Wartungsauf ^¬ wand. Verglichen mit einer Öllagerung ist die Handhabung von Modul-Gas besonders einfach, da bevorzugt gereinigte Luft verwendet werden kann, die in einem offenen System noch nicht mal gekühlt werden muss. Statt Luft kann auch ein anderes Gas verwendet werden, welches je nach Prozessgegebenheiten passend ist. Beispielsweise kann bevorzugt ein gereinigtes

Inertgas (ein sich hinsichtlich des Prozesses weitestgehend inert verhaltendes Gas - häufig kann Stickstoff verwendet werden) verwendet werden. Darüber hinaus sind die Anforderun- gen an die Qualität des Modul-Gases, verglichen mit Trocken ^¬ gasdichtungen, sehr viel niedriger, so dass der Aufwand der Aufbereitung des Gases geringer ausfällt. Neben einer Reduzierung der Investitionskosten erhöht sich damit gleichzeitig die Verfügbarkeit der Maschine. Ein weitere Vorteil liegt in der nur geringen räumlichen Ausdehnung der kombinierten Lagerungsdichtung nach der Erfindung, so dass beispielsweise Turbomaschinen mit vergleichbarer Leistung gemäß der Erfindung kleiner ausgebildet werden können, so dass sich die Gesamt ^¬ kosten stark reduzieren und beispielsweise die Gestaltung der Rotordynamik in Folge der verringerten Rotorlänge sich einfacher gestaltet.

Als Material für den stehenden Gleitkörper ist ein Material von offener Porosität zu verwenden, wobei vorteilhaft die Po- rösität (1 - Quotient aus Rohdichte und Reindichte) mindesten 10% beträgt. Der poröse Körper kann beispielsweise aus Gra ^¬ phit hergestellt werden.

Der Differenzdruck zwischen der Umgebungsfluidseite und der Prozessfluidseite beträgt im regulären Betrieb wenigstens 1 bar und ist bevorzugt größer als 10 bar. Zweckmäßig kann sich die stehende Dichtungsfläche parallel zur Achse des zu lagernden Rotors erstrecken. Auf diese Weise sind auch radiale Kräfte von der stehenden Dichtungsfläche abstützbar im Sinne eines Radiallagers. Damit es zu dem ge- wünschten Dichteffekt kommt, ist es sinnvoll, wenn der poröse Körper oder mehrere poröse Körper aneinandergereiht den Rotor in einem Axialbereich vollständig umgegeben. Der poröse Körper kann hierbei insbesondere im Interesse der flexiblen Mon ^¬ tage in Umfangsrichtung segmentiert ausgebildet sein und un- ter Minimierung von Lücken in Umgebungsrichtung aneinandergereiht montiert werden. Zweckmäßig sind die einzelnen Segmente des porösen Körpers federnd in einer stehenden Halterung gelagert, so dass sich ein dynamischer Lagerungs- und Dicht ^¬ spalt zwischen der Dichtungsfläche des Rotors und der stehen- den Dichtungsfläche ausbildet. Die Größe des Dichtspaltes wird unter anderem durch die Geometrie, die Lagerlast, den Druck des Modul-Gases beeinflusst.

Entsprechend kann das erfindungsgemäße Gas-Lager auch als Ra- dial ausgerichtete Dichtung und ggf. zusätzlich als Axialla ^¬ ger ausgebildet sein, bei dem sich die stehende Dichtungsflä ^¬ che im Wesentlichen senkrecht zu der Achse des Rotors er ^¬ streckt. Da diese Ausbildung keine Segmentierung der Dicht ^¬ fläche erfordert, ist die Dichtigkeit besonders einfach her- zustellen, insbesondere deswegen, weil bei einer nachgiebigen Dichtfläche diese in der Größe konstant bleiben kann.

Gleichfalls ist es denkbar, dass die stehende Dichtungsfläche schräg zu der Achse des Rotors ausgebildet ist und sich auf diese Weise eine im Wesentlichen konische stehende Dichtungs ^¬ fläche ergibt. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Gas ^¬ dichtung bzw. das erfindungsgemäße Gaslager sowohl axiale als auch radiale Kräfte aufnehmen. Der poröse Körper kann in der stehenden Halterung bevorzugt elastisch gelagert sein, wobei entweder ein elastisches Ele ^¬ ment - beispielsweise eine Feder - oder der Druck des Modul- Gases den porösen Körper elastisch lagern bzw. für eine Vor- Spannung der stehenden Gleitfläche gegen die rotierende

Gleitfläche sorgen. Das in den Figuren teilweise dargestellt elastische Element ist als optional zu verstehen bzw. die Steifigkeit kann derart variieren, dass das elastische Ele- ment auch als starrer Körper angesehen werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Gleitkörper einen Trägerkörper aufweist, der direkt an dem porösen Körper anliegt und die Dichtungskraft sowie ggf. die Lager- kraft aus dem Gleitkörper aufnimmt. Der Trägerkörper kann hierbei vorteilhaft etwaige statische Unzulänglichkeiten des porösen Körpers ausgleichen und diesen stabilisieren. Der Trägerkörper ist hierbei vorteilhaft in direkter Anlage mit dem porösen Körper ausgebildet und in einer weiteren vorteil- haften Weiterbildung an diesem befestigt verbunden durch

Kraftschluss und/oder Formschluss und/oder Stoffschluss . Der Trägerkörper kann hierbei mit einer Ausnehmung für den porösen Körper versehen sein und diesen auf diese Weise nicht nur teilweise formschlüssig aufnehmen, sondern auch einen unbeab- sichtigten seitlichen Austritt des Modul-Gases aus dem porö ^¬ sen Körper abdichtend verhindern. Seitlich meint hierbei einen Austritt des Modul-Gases nicht in Richtung des rotieren ^¬ den Gleitkörpers bzw. nicht aus der stehenden Dichtfläche heraus .

Zweckmäßig kann zusätzlich oder alternativ der poröse Körper teilweise mit einer Versiegelung der äußeren Oberfläche versehen sein, welche die Durchlässigkeit für das Modul-Gas ver ^¬ mindert. Die Versiegelung ist hierbei auch bevorzugt an Stel- len angebracht, die nicht Teil der stehenden Dichtfläche sind. Auf diese Weise wird das Modul-Gas besonders effektiv vornehmlich ausschließlich für die Erzeugung eines Gleitfilms für die Lagerung verwendet. Zum Zweck der besonders zielgerichteten Verwendung des Modul- Gases, welches erfindungsgemäß gleichzeitig das Dichtgas ist, ist es sinnvoll, wenn der poröse Körper oder der Trägerkörper oder beide Bauteile gegenüber der stehenden Halterung eine Dichtung aufweisen gegen den Austritt des Modul-Gases zwischen den porösen Körper bzw. dem Trägerkörper und der stehenden Halterung. Diese Dichtung kann als O-Ring-Dichtung ausgebildet sein oder als eine sonstige quasi statisch ein- setzbare Dichtung. Quasi statisch arbeitet diese Dichtung deswegen, weil in Folge der Rotordynamik und dynamischer Betriebsbedingungen eine Relativbewegung an dem Dichtungsbereich erfolgt. Hierbei ist es denkbar, dass diese Relativbe ^¬ wegungen durch eine Elastizität der Dichtung selbst zu einem wesentlichen Anteil aufgenommen werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der poröse Körper und/oder der Trägerkörper gegen Verdrehen in Umfangsrichtung mittels einer Verdrehsicherung - bei- spielsweise mittels eines Stiftes oder einer Passfeder - an der statischen Halterung gesichert ist/sind.

Zweckmäßig ist der Trägerkörper, der direkt an dem porösen Körper anliegt mit einem Zuleitungskanal für das Modul-Gas in den porösen Körper hinein versehen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mehr als eine Zuleitung des Modul-Gases in den porösen Körper oder in verschiedene Umfangssegmente des porösen Körpers vor- gesehen ist. Hierbei sollten mindestens zwei verschiedene Zu ^¬ leitungen des Modul-Gases in den porösen Körper an unterschiedlichen Umfangspositionen vorgesehen sein. Zweckmäßig ist mindestens eine Zuleitung in der unteren Hälfte einer erfindungsgemäßen Dichtung oder eines als Radiallager ausgebil- deten erfindungsgemäßen Gas-Lagers vorgesehen (hierbei ist die untere Hälfte durch die Schwerkraft des Rotors als solche definiert) . Eine weitere Zuleitung sollte in der oberen Hälf ^¬ te für das Modul-Gas in den porösen Körper vorgesehen sein. Diese Zuleitungen können mit einem unterschiedlichen Modul- Gas-Druck oder mit einer unterschiedlichen statischen Drossel oder mit einer unterschiedlich einstellbaren Drossel versehen sein. Diese Drosseln können vorteilhaft in Abhängigkeit von gegebenen Betriebsbedingungen mittels einer Regelung ein- stellbar ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Volumenstrom an Modul-Gas an der oben befindlichen Zuleitungsstelle zu dem porösen Körper mittels Zustellens der Drossel redu ^¬ ziert sein gegenüber der unten befindlichen Zuleitungsstelle bei abnehmender Drehzahl bzw. bei niedrigen Drehzahlen, bei denen der aerodynamische Schmiereffekt ebenfalls abnehmend ist und ein größerer Bedarf an einem aerostatischen Schmierfilm an der unten befindlichen Umfangsposition vorliegt. Außerdem ist mittels der Umfangspositions-spezifischen Druckbeaufschlagung eine Lageeinstellung des Rotors möglich.

Zweckmäßig ist der poröse Körper segmentiert. Ggf. kann der poröse Körper in einer vorteilhaften Weiterbildung Durchläs- sigkeitshindernisse in Umfangsrichtung an Segmentgrenzen aufweisen, so dass nicht nur die eigentliche Drosselwirkung des porösen Körpers die Druckdifferenzen zwischen verschiedenen Zuleitungsumfangspositionen verursacht, sondern auch diese Durchleitungssperren oder Hindernisse in Umfangsrichtung .

Zweckmäßig ist insbesondere bei einem radialen Dichtflächen ^¬ verlauf oder einem erfindungsgemäßen Axiallager der poröse Körper als ununterbrochener Ring einstückig ausgebildet oder nahezu lückenlos zu einem in Umfangsrichtung ununterbrochenen Ring aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt. Auf diese Weise wird nicht nur die Aufnahme einer axialen Lagerkraft gewähr ^¬ leistet, wie dies beispielsweise auch mittels in Umfangsrich- tung nicht durchgehend ausgebildeter einzelner Lager-Pads möglich wäre sondern auch die erfindungsgemäße Dichtfunktion verwirklicht.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand einiger speziellen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausbildung einer efindungsgemäßen Dichtung mit radiale Dichtfläche bzw. eines Axiallagers nach der Erfindung, einen Längsschnitt durch eine Detail der Ausbildung gemäß Figur 1 in schematischer Darstellung für eine andere Umfangsposition, eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine erste Ausbildung einer erfindungsgemäßen Dichtung mit radiale Dichtfläche bzw. eines Axial ^¬ lagers nach der Erfindung einer zweiten Ausführungsvariante , einen Längsschnitt durch eine Ausführungsvariante der Erfindung eine Dichtung mit axialer Dichtfläche bzw. eines Radiallagers in schematischer Darstel ^¬ lung .

Der schematische Längsschnitt der Figur 1 durch eine erfin ^¬ dungsgemäße Gas-Dichtung GB bzw. Wellendichtung GS, welches gleichzeitig als Gas-Lager ausgebildet ist, zeigt eine Anord nung, welche sich entlang einer Achse X eines Rotors erstreckt .

Sämtliche Richtungsangaben, wie axial, radial, tangential oder in Umfangsrichtung beziehen sich auf die Achse X, wenn es nicht anders angegeben ist.

Die Gas-Dichtung GB befindet sich an einer Lagerstelle SL des Rotors R. Die Anordnung ist im Wesentlichen rotationssymmet ^¬ risch um die Achse X ausgebildet, wobei sich die Rotations- Symmetrie im Wesentlichen auf einen stehenden Gleitkörper SB und einen rotierenden Gleitkörper RB bezieht, die einstückig in Umfangsrichtung ausgeführt sein können oder auch in Um- fangsrichtung segmentiert sein können. Bei der segmentierten Ausführung ist der jeweilige Gleitkörper im Wesentlichen lü- ckenlos in Umfangsrichtung segmentiert aneinandergesetzt . We ^¬ sentliche stehende Teile der Anordnung sind der stehende Gleitkörper SB, ein Zwischenelement IE angeordnet, zwischen dem stehenden Gleitkörper SB und einem elastischen Element EEL, welches den stehenden Gleitkörper SB in Richtung des rotierenden Gleitkörpers RB vorspannt, und eine stehende Halte ^¬ rung SSE, an der sich das elastische Element EEL abstützt und welches den stehenden Gleitkörper SB translatorisch führt für eine Bewegung in axialer Richtung. Die Gas-Dichtung GB der Figur 1 ist als Axiallager ausgeführt und weist gleichzeitig eine Dichtfunktion auf, um eine Druckdifferenz ΔΡ zwischen einer Prozessfluidseite PFE und einer Umgebungsfluidseite AFE im Betrieb aufrecht zu erhalten.

Rotierende Bauteile der Anordnung sind ein rotierender Gleit ^¬ körper RB, der mittels statischer Dichtungen RSS in einer zweiten Wellenhülse SSL2 gelagert ist, die auf die Welle des Rotors R aufgeschrumpft wird. Die axiale Position des rotie- renden Gleitkörpers RB auf der zweiten Wellenhülse SSL2 wird mittels einer ersten Wellenhülse SSL1 gesichert. Die zweite Wellenhülse SSL2 ist mittels einer statischen O-Ring-Dichtung SOR zu der Welle des Rotors R gedichtet. Der stehende Gleitkörper SB umfasst einen porösen Körper PB, der formschlüssig an einem Trägerkörper SE angeordnet ist und von diesem in einer räumlichen Position festgehalten wird. Der Trägerkörper SE ist mit einer Ausnehmung versehen, in die der poröse Körper PB teilweise eingelassen ist. Der poröse Körper PB weist eine stehende Dichtungsfläche SBS auf, die einer rotierenden Dichtungsfläche RBS an dem rotierenden Gleitkörper RB zugewandt ist.

Der stehende Haltering SSE weist eine Zuführleitung SC auf, mittels derer ein Modul-Gas BG durch einen Zuleitungskanal SCSE des Trägerkörpers SE zu dem porösen Körper PB geleitet wird. Der poröse Körper PB weist eine offene Porosität auf und wird von dem Modul-Gas BG in Richtung des rotierenden Gleitkörpers RB durchströmt. Unterhalb einer Abhebeldrehzal bildet sich auf diese Weise mittels des Modul-Gases ein aero- statischer Gasfilm aus, der sich oberhalb einer Abhebeldrehzahl zu einem aerodynamischen Gasfilm ändert. Jedenfalls ar- beitet die Gasdichtung bzw. das Gas-Lager kontaktfrei, so dass kein Verschleiß an den Gleitflächen auftritt.

Die stehende Gleitfläche SBS weist eine Prozessfluidseite PFE an einer ersten Seite El auf, und wird von einer Umge- bungsfluidseite AFE an einer zweiten Seite E2 begrenzt. Von der Prozessfluidseite PFE zur Umgebungsfluidseite AFE liegt eine Druckdifferenz ΔΡ an, die an dem porösen Körper PB in einer Dichtungskraft SF resultiert. Gleichzeitig resultiert die Flächenpressung zwischen dem rotierenden Gleitkörper RB und dem stehenden Gleitkörper SB in einer Lagerkraft BF. In den Ausführungsbeispielen wirken diese beiden Kräfte senkrecht zueinander und die resultierende Kraft wird in die ste ^¬ hende Halterung SSE eingeleitet. Die stehende Halterung SSE nimmt diese Kraft teilweise mittels des elastischen Elementes EEL auf, und teilweise mittels einer Führung CON zu transla ^¬ torischen Bewegung des stehenden Gleitkörpers SB relativ zu der stehenden Halterung SSE. In der Zeichnung ist der Druck des Modul-Gases BG mit P3 bezeichnet, der Druck des Pro- zessfluids mit P2 und der Druck in der Umgebung mit PI. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren 1, 2, 3 und 4 ist der Druck P3 größer als der Druck P2 und größer als der Druck PI, wobei P2 größer als PI ist, wenn es sich um einen Verdichter handelt. Das Modul-Gas BG kann Umgebungsluft sein oder bevorzugt in Inert-Gas, beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas. Der Vorteil bei der Verwendung von Umgebungsluft als Modul-Gas BG liegt darin, dass der Modul-Gas-Kreislauf bevorzugt offen gestaltet werden kann und eine nur geringe Aufbereitung der Luft ausreichend ist, das erfindungemäße Gas-Lager mit Modul-Gas BG zu versorgen und gleichzeitig kei ^¬ ne Kühlung für das Modul-Gas BG notwendig ist. Bei einem ge ^¬ schlossenen Kreislauf für das Modul-Gas BG kann eine Kühlung zur Einhaltung eines gewünschten Temperaturniveaus an dem erfindungsgemäßen Gas-Lager GB zweckmäßig sein.

Die Figur 2 zeigt ein Detail der Ausbildung gemäß der Figur 1. Eine Verdrehsicherung RF in Form eines Stiftes sichert den stehenden Gleitkörper SB gegenüber der stehenden Halterung SSE gegen Verdrehen.

Figur 3 zeigt eine andere vorteilhafte Weiterbildung für den porösen Körper PB, der an Außenflächen, an denen ein Ausströmen des Modul-Gases BG unerwünscht ist - also die nicht Teil der stehenden Dichtungsfläche SBS sind - eine Versiegelung CO auf, welche die Durchlässigkeit für das Modul-Gas BG redu ^¬ ziert. Gleichzeitig kann diese Versiegelung CO den porösen Körper PB statisch stabilisieren, so dass diese beiden Funktionen des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Trägerkörpers SE mittels der Versiegelung CO erfüllt werden.

Figur 4 zeigt eine radiale Lagerung - vergleichbar in der Ge- samtkonstruktion mit einer Schwimmringdichtung - bei der sich die stehende Dichtungsfläche SBS parallel zur Achse X des Ro ^¬ tors R erstreckt. Eine Versiegelung CO stabilisiert den porö ^¬ sen Körper PB und verhindert ein Austreten des Modul-Gases PB außerhalb der stehenden Dichtungsfläche SBS. Das Modul-Gas BG durchströmt die stehende Halterung SSE durch die Zuführlei ^¬ tung SC, wobei der Druck P3 des Modul-Gases BG gleichzeitig aufgrund des Druckverlusts in dem porösen Körper PB den porö ^¬ sen Körper PB in Richtung der rotierenden Dichtungsfläche RBS vorspannt. Die Dichtkraft SF wirkt hierbei axial und die La- gerkraft BF wirkt hierbei radial. Die Lagerkraft BF überträgt sich mittelbar durch das Modul-Gas BG auf die stehende Halte ^¬ rung SSE und O-Ringdichtungen OR zwischen dem stehenden

Gleitkörper SB und der stehenden Halterung SSE übertragen die Dichtungskraft SF auf die stehende Halterung SSE.