Maschine und Verfahren zum Betreiben der Maschine

Die Erfindung betrifft eine Maschine mit einer Welle und ei ^¬ nem Lager sowie ein Verfahren zum Betreiben der Maschine.

Eine Maschine, wie beispielsweise eine Strömungsmaschine, mit einer Welle und einem ölgeschmierten Lager kann mit einer Sperrgasdichtung versehen werden, um ein Austreten des Öls aus dem Lager zu unterbinden. Die Sperrgasdichtung kann eine Sperrkammer zwischen einer sich radial erstreckenden rotierenden Wellenwand und dem feststehenden Lagergehäuse aufwei- sen. Im Betrieb der Maschine, wenn die Welle rotiert und die Sperrgasdichtung mit einem Sperrfluid beaufschlagt ist, wird das Sperrfluid in der Sperrkammer über Reibung an der Wellenwand in Rotation versetzt. Im rotierenden Sperrfluid bildet sich durch die Wirkung der Zentrifugalkräfte ein Druckabfall nach radial innen aus, wodurch nachteilig der Druck an dem

Lagergehäuse gering ist, so dass das Öl aus dem Lagergehäuse austreten kann.

Das Austreten des Öls ist besonders kritisch, wenn dies am Turbinenaustritt einer Gasturbine auftritt, weil hier das Öl in Kontakt mit heißen Teilen der Gasturbine treten kann. Das Öl kann durch den Kontakt verkoken oder verbrennen und dadurch den sicheren Betrieb der Betrieb der Maschine gefährden. Herkömmlich wird das Problem gelöst, in dem die Sperr- gasdichtung mit dem Sperrfluid unter hohem Druck beaufschlagt wird, was jedoch nachteilig für den Wirkungsgrad der Gastur ^¬ bine ist.

Weiter ist aus der US 2012/201661 AI eine Lageranordnung be- kannt, bei der in einem Zwischenraum, welcher jeweils über eine Labyrinthdichtung einerseits zu einem hydraulischen Lager und andererseits zu einem Raum mit atmosphärischen Druck abgeschirmt ist, ein Überdruck erzeugt werden kann. Die Er- zeugung des Überdrucks erfolgt mit Hilfe eine Fluidleitung, die im Zwischenraum mündet und mit der ein entsprechenden Fluid zuführbar ist. Der Zwischenraum kann dabei durch eine Abschirmung weiter unterteilt werden, um den Teilraum mit der lokalen Druckerhöhung möglichst nahe am Ende der

Labyrinthdichtung anzusiedeln. Nachteilig ist jedoch hierbei, dass ein Überdruck zur Erzeugung einer zuverlässigen Abdichtung erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maschine mit einer Welle und einem Lager sowie ein Verfahren zum Betreiben der Maschine zu schaffen, wobei eine gute Dichtwirkung gegenüber dem Lager erzielt wird.

Die erfindungsgemäße Maschine weist eine Welle, die eine Stu ^¬ fe aufweist, so dass ein erster Wellenabschnitt mit einem ersten Durchmesser, ein zweiter Wellenabschnitt mit einem zweiten Durchmesser, der kürzer als der erste Durchmesser ist, und eine sich radial erstreckende sowie rotierbare Wel ^¬ lenstirnfläche ausgebildet sind, ein Gehäuse und ein Lager auf, das die Welle an ihrem zweiten Wellenabschnitt an dem Gehäuse abstützt und mit einem Schmierfluid geschmiert ist, wobei die Wellenstirnfläche einer sich radial erstreckenden sowie feststehenden Lagerstirnseite zugewandt ist, wodurch eine mit einem Sperrfluid, mittels dem ein Austreten des Schmierfluids aus dem Lager unterbindbar ist, beaufschlag ^¬ baren Sperrkammer ausgebildet ist, die axial von der Wellenstirnfläche und der Lagerstirnseite sowie radial innen von dem von dem Lager freigelassenen zweiten Wellenabschnitt begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrkammer über eine Passage mit der Umgebung verbunden ist und dass in der Sperrkammer eine sich radial erstreckende und feststehende Trennplatte angeordnet ist, so dass eine aerodynamische Ab- schirmung der Lagerstirnseite von der Wellenstirnfläche er ^¬ folgt, wodurch der Bereich zwischen der Trennplatte und der Lagerstirnseite beim Rotieren der Welle im Wesentlichen wirbelfrei, d.h. drallfrei ist. Der Bereich zwischen der Trennplatte und der Lagerstirnseite ist axial von keinen rotierenden Wänden begrenzt, so dass sich in diesem Bereich auch kein die Druckverhältnisse be- stimmender Wirbel ausbilden kann. Der Bereich zwischen der

Wellenstirnfläche und der Trennplatte ist axial von einer ro ^¬ tierenden Wand begrenzt, nämlich von der Lagerstirnseite, so dass sich ein Wirbel in diesem Bereich ausbilden kann. Dieser Wirbel wirkt sich jedoch aufgrund der abschirmenden Wirkung der Trennplatte nicht auf den Bereich zwischen der Trennplat ^¬ te und der Lagerstirnseite aus. Damit hat das Sperrfluid in dem Bereich zwischen der Trennplatte und der Lagerstirnseite im Wesentlichen den Druck, mit dem die Sperrkammer beaufschlagt ist, und ist nur Wandreibungsverlusten ausgesetzt. Damit ist der Druck des Sperrfluids an der Lagerstirnseite hoch, wodurch eine gute Dichtwirkung gegenüber dem Lager erzielbar ist. Die Trennplatte stellt eine derart einfache kon ^¬ struktive Maßnahme dar, dass bestehende Maschinen auch mit der Trennplatte nachgerüstet werden können.

Es ist bevorzugt, dass zwischen dem radial innen liegenden Längsende der Trennplatte und der Welle ein Radialspalt aus ^¬ gebildet ist. Dadurch wird vorteilhaft ein Anschleifen der Trennplatte an der Welle unterbunden. Der Radialspalt hat be- vorzugt eine Erstreckung in Radialrichtung von 0,1 mm bis

10 mm. Durch die Untergrenze von 0,1 mm kann vorteilhaft das Anschleifen unterbunden werden. Durch die Obergrenze von 10 mm wird vorteilhaft sichergestellt, dass sich kein Wirbel in dem Bereich zwischen der Trennplatte und der Lagerstirn- seite ausbildet. Durch die Obergrenze ist auch sicherge ^¬ stellt, dass nicht derart viel Sperrfluid via den Radialspalt in den Bereich zwischen der Wellenstirnfläche und der der Trennplatte gelangen kann, dass der Druck an der Lagerstirnseite wesentlich absinkt.

Es ist bevorzugt, dass die Trennplatte parallel zu der Wel ^¬ lenstirnfläche und der Lagerstirnseite angeordnet ist. Da ^¬ durch können Engstellen für die Strömung des Sperrfluids ver- mieden werden. Die Engstellen können nachteilig zu der Ausbildung von Wirbeln führen. Die Trennplatte hat bevorzugt ei ^¬ nen Abstand von der Wellenstirnfläche, der von 0,25*d bis 0,75*d, weiter bevorzugt von 0,5*d bis 0,75*d, besonders be- vorzugt 0,5*d, beträgt, wobei d der Abstand zwischen der Wel ^¬ lenstirnfläche und der Lagerstirnseite ist. Durch den Min ^¬ destabstand der Trennplatte von der Lagerstirnseite ist vor ^¬ teilhaft sichergestellt, dass das Sperrfluid durch Reibung nicht derart aufgewärmt wird, dass es das Lager angreifen kann. Durch den Mindestabstand der Trennplatte von der Wel ^¬ lenstirnfläche ist ebenfalls vorteilhaft sichergestellt, dass sich das Sperrfluid nicht wesentlich durch Reibung aufheizt. Die Trennplatte ist eher näher zu der Lagerstirnseite als zu der Wellenstirnfläche angeordnet, um die Scherkräfte im Be- reich zwischen der rotierenden Wellenstirnfläche und der Trennplatte gering zu halten.

Die Trennplatte erstreckt sich bevorzugt nach radial außen im Wesentlichen bis mindestens zu dem radial außen liegenden En- de der Wellenstirnfläche. Damit ist vorteilhaft eine derar ^¬ tige Abschirmung der Lagerstirnseite von der Wellenstirnflä ^¬ che erreicht, dass der Bereich zwischen der Trennplatte und der Lagerstirnseite beim Rotieren der Welle im Wesentlichen wirbelfrei ist. Es ist bevorzugt, dass die Trennplatte kreis- ringförmig um die Welle herum angeordnet ist. Indem die

Trennplatte unterbrechungsfrei und kreisringförmig in Um- fangsrichtung um die Welle herum angeordnet ist, können sich auch keine lokal begrenzten Wirbel zwischen der Trennplatte und der Lagerstirnseite ausbilden.

Die Trennplatte ist bevorzugt mittels an der Lagerstirnseite und an der Trennplatte angebrachten Abstandshaltern befestigt. Dadurch ist es möglich, die Trennplatte zusammen mit dem Lager in die Maschine einzubauen oder aus der Maschine auszubauen. Das Lager stellt ein Verschleißteil der Maschine dar und ein Nachrüsten der Maschine mit der Trennplatte kann somit besonders einfach bei einem routinemäßigen Austausch des Lagers erfolgen. Es ist bevorzugt, dass die Maschine eine Strömungsmaschine ist, insbesondere eine Gasturbine. Es ist weiterhin insbeson ^¬ dere bevorzugt, dass die Sperrkammer mit der Trennplatte am Turbinenaustritt der Gasturbine angeordnet ist. Es ist vor ^¬ teilhaft, die Trennplatte hier vorzusehen, weil ein Austreten des Schmierfluids am Turbinenaustritt der Gasturbine beson ^¬ ders kritisch ist, da es dort in Kontakt mit heißen Abgasen und heißen Teilen der Gasturbine treten und dabei verbrennen kann .

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Maschine weist die Schritte auf: Rotieren der Welle; Beaufschlagen der Sperrkammer mit Umgebungsluft unter Atmosphärenbedingungen als dem Sperrfluid, wodurch ein Austreten des Schmierfluids aus dem Lager in die Sperrkammer unterbunden wird. Indem Umgebungsluft eingesetzt wird, die insbesondere aus einer

Schalleinhausung der Maschine entnommen wird, ist der Wirkungsgrad der Maschine hoch. Durch das Vorsehen des Trennblechs kann ein Austreten des Schmierfluids aus dem Lager in die Sperrkammer unter allen Betriebsbedingungen unterbunden werden .

Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Maschine,

Figur 2 eine Detailansicht des Längsschnitts aus Figur 1 und

Figur 3 die Strömungsverhältnisse in einer Sperrkammer der

Maschine .

Wie es aus Figuren 1 bis 3 ersichtlich ist, weist eine Ma ^¬ schine 1 eine Welle 2 auf, die um eine Wellenachse 8 rotier ^¬ bar ist. Weiterhin weist die Welle 2 eine Stufe 3 auf, wo ^¬ durch die Welle 2 in Axialrichtung einen ersten Wellenab- schnitt 9 mit einem ersten Radius 11 und einen zweiten Wel ^¬ lenabschnitt 10 mit einem zweiten Radius 12 aufweist. Der zweite Radius 12 ist dabei kürzer als der erste Radius 11. Durch die Stufe 3 weist die Welle 2 eine rotierbare Wellen- Stirnfläche 6 auf, die in der Grenzfläche zwischen dem ersten Wellenabschnitt 10 und zweiten Wellenabschnitt 11 angeordnet ist und sich radial zwischen dem ersten Radius 11 und dem zweiten Radius 12 erstreckt. Die Wellenstirnfläche 6 ist da ^¬ durch kreisringförmig.

Die Maschine 1 weist weiterhin ein feststehendes Gehäuse 5 und ein Lager 4 auf, das die Welle 2 an ihrem zweiten Wellenabschnitt 10 an dem Gehäuse 5 abstützt. Das Lager 4 ist mit einem Schmierfluid, insbesondere Öl, geschmiert und ist ins- besondere ein Gleitlager. Das Lager 4 weist eine feststehende Lagerstirnseite 7 auf, die parallel zu der Wellenstirnfläche 6 und der Wellenstirnfläche 6 zugewandt angeordnet ist. Radi ^¬ al außerhalb der Lagerstirnseite 7 ist eine feststehende Gehäusestirnseite 30 angeordnet, die ebenfalls der Wellen- Stirnfläche 6 zugewandt angeordnet ist.

Die Maschine 1 weist eine Sperrkammer 13 auf, die im Betrieb der Maschine 1 mit einem Sperrfluid beaufschlagt wird, um ein Austreten des Schmierfluids aus dem Lager 4 in die Sperrkam- mer 13 zu unterbinden. Die Sperrkammer 13 ist axial begrenzt von der Wellenstirnfläche 6 und der Lagerstirnseite 7. Radial innen ist die Sperrkammer 13 begrenzt von der Radialaußenseite des sich von der Wellenstirnfläche 6 bis zu der Lager ^¬ stirnseite 7 erstreckenden Abschnitts des zweiten Wellenab- Schnitts 10.

Das Lager 4 weist eine Lagerdichtung 14 zum Abdichten des Lagers 4 zur Sperrkammer 13 hin auf. Die Lagerdichtung 14 ist auf der Radialaußenseite der Welle 2 im Bereich des zweiten Wellenabschnitts 10 und im Bereich der Lagerstirnseite 7 an ^¬ geordnet. Um ein Austreten des Schmierfluids aus dem Lager 4 zu vermeiden, ist es erforderlich, dass der Druck des Sperr- fluids an dem der Sperrkammer 13 zugewandten Ende der Lager- dichtung 14 höher ist als der Druck des Schmiertluids an die ^¬ sem Ende .

In die Sperrkammer 13 ist eine feststehende und sich radial erstreckende Trennplatte 15 eingebracht. Die Trennplatte 15 kann beispielsweise ein Blech sein. Die Trennplatte 15 ist mit ihrer langen Seite parallel zu der Wellenstirnfläche 6 und der Lagerstirnseite 7 angeordnet und kreisringförmig aus ^¬ gebildet. Durch das Einbringen der Trennplatte 15 in die Sperrkammer 13 werden eine Rotor-Stator-Kammer 27, die sich von der Wellenstirnfläche 6 bis zur Trennplatte 15 erstreckt, und eine Stator-Stator-Kammer 28 ausgebildet, die sich von der Trennplatte 15 bis zur Lagerstirnseite 7 erstreckt. Die Rotor-Stator-Kammer 27 und die Stator-Stator-Kammer 28 sind in Axialrichtung nebeneinander angeordnet.

Zwischen dem radial innen liegenden Längsende der Trennplatte 15 und der Radialaußenseite des zweiten Wellenabschnitts 10 ist ein Radialspalt 16 ausgebildet, der in Radialrichtung ei- ne Erstreckung von 0,1 mm bis 10 mm hat. Die Trennplatte 15 hat einen Abstand von der Wellenstirnfläche 6, der von 0,25*d bis 0,75*d beträgt, wobei d der Abstand zwischen der Wellen ^¬ stirnfläche 6 und der Lagerstirnseite 7 ist. Radial nach au ^¬ ßen erstreckt sich die Trennplatte 15 gemäß Figuren 1 bis 3 im Wesentlichen bis zu dem ersten Radius 11. Es ist jedoch denkbar, die Trennplatte 15 auch weiter nach radial außen aus zuführen .

Die Sperrkammer 13 weist eine erste Aussparung 25 auf, die in die Welle 2 eingebracht ist und sich radial außen an den ers ^¬ ten Radius 11 anschließt. Durch die erste Aussparung 25 ist eine Aussparungsstirnfläche 29 ausgebildet, die der Lager ^¬ stirnseite 7 zugewandt angeordnet ist. Die Sperrkammer 15 weist weiterhin eine zweite Aussparung 26 auf, die sich nach radial außen erstreckt. Das Sperrfluid mit atmosphärischem Druck kann aus der Umgebung 23 der Maschine 1 in die Sperrkammer 13 via eine durchströmbaren Passage gelangen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Passage einen Au- ßenspalt 22, einen Kanal 24 und die zweite Aussparung 26 so ^¬ wie nicht weitere dargestellte Kanäle, wodurch die Sperrkam ^¬ mer 13 mit der Umgebung in Strömungsverbindung steht. Ein Turbinenspalt 20 erstreckt sich von der Sperrkammer 13 bis zu einem Turbineninnenraum. Der Turbinenspalt 20 weist eine Turbinendichtung 21 auf. Damit kein Abgas aus dem Turbineninnenraum via den Turbinenspalt 20 in die Sperrkammer 13 gelangen kann, ist es erforderlich, dass der Druck des Sperrgases in der Sperrkammer 13 höher als der Druck des Abgases ist.

Die Maschine 1 weist eine Mehrzahl an Abstandshaltern 17 auf, die jeweils an der Lagerstirnseite 7 und an der Trennplatte 15 angebracht sind, um die Trennplatte 17 zu befestigen. Je ^¬ der der Abstandshalter 17 ist durch ein jeweiliges Loch in der Trennplatte 15 durchgeführt und weist einen Abstandshal- terkopf auf, mit dem das Axialverschieben der Trennplatte 15 in Richtung zu der Wellenstirnfläche 6 begrenzt ist. Jeder Abstandshalter 17 ist von einer Hülse 19 umhüllt, mit der das Axialverschieben der Trennplatte 15 in Richtung zu der Lager- Stirnseite 7 begrenzt ist.

Die sich in der Sperrkammer 13 beim Rotieren der Welle 2 einstellenden Strömungsverhältnisse sind in Figur 3 dargestellt. Beim Rotieren der Welle 2 stellt sich in der Sperrkammer 13 eine Strömung ein, die angetrieben wird, weil an der rotierenden Wellenstirnfläche 6 durch Reibung das Sperrfluid nach radial außen transportiert wird. Aus Kontinuitätsgründen strömt in der Rotor-Stator-Kammer 27 das Sperrfluid an der Trennplatte 15 nach radial innen, so dass sich in der Rotor- Stator-Kammer 27 ein Wirbel ausbildet. In der Stator-Stator- Kammer 28 bildet sich eine Strömung aus, die im Wesentlichen nach radial innen gerichtet ist und durch den Radialspalt 16 in Richtung zu der Rotor-Stator-Kammer 27 gerichtet ist. Damit ist die Stator-Stator-Kammer 28, also der Bereich zwi- sehen der Trennplatte 15 und der Lagerstirnseite 7, im We ^¬ sentlichen wirbelfrei. In der Stator-Stator-Kammer 28 können sich in Ecken oder an Kanten kleine Wirbel ausbildet, diese kleinen Wirbel können jedoch den Druck in der Stator-Stator-Kammer 27 nicht bestimmen. Damit ist der Druck an der Lagerstirnseite 7 höher als es für eine Sperrkammer ohne Trennplatte der Fall wäre. CFD- Rechnungen für einige ausgewählte Fälle haben ergeben, dass der Druck an der Lagerstirnseite 7 an dem radial innen lie ^¬ genden Ende der Sperrkammer 13 um 2 mbar bis 3 mbar höher ist als es für die Sperrkammer ohne Trennplatte der Fall wäre.

Auch der Druck an der Wellenstirnfläche 6 ist höher als es für die Sperrkammer ohne Trennplatte der Fall wäre, weil der Wirbel in der Rotor-Stator-Kammer 28 durch die Strömung durch den Radialspalt 16 einen höheren Druck aufgeprägt bekommt. Die CFD-Rechnungen haben ergeben, dass der Druck an der Wellenstirnfläche 6 an dem radial innen liegenden Ende der

Sperrkammer 13 um 1,5 mbar bis 2,5 mbar höher ist als es für die Sperrkammer ohne Trennplatte der Fall wäre. Es wird in der Sperrkammer 13 auch an der radial außerhalb des ersten Radius 11 angeordneten Aussparungsstirnfläche 29 das Sperrfluid nach radial außen gefördert. Die Trennplatte 15 gemäß Figuren 1 bis 3 erstreckt hier sich zwar nur im Wesentlichen bis zu dem ersten Radius 11, jedoch ist der Be- reich radial außerhalb des Radius 11 unkritisch, weil hier der Abstand zwischen der Aussparungsstirnfläche 29 und der Lagerstirnseite 7 und/oder der Gehäusestirnseite 30 ausrei ^¬ chend groß ist, dass sich kein radiales Druckgefälle ausbil ^¬ den kann.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge ^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .