Anordnung mit einer Dichtung, Dichtung und Turboverdichter

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer ringförmigen Dichtung, die sich um eine Maschinenachse herum erstreckt, zur Abdichtung eines sich entlang einer Umfangsrichtung erstreckenden Spaltes mit L-förmigen Querschnitt zwischen einem Behältergrundkörper und einem Deckel, wobei sich ein Radialabschnitt des Spaltes in radialer Richtung und

Umfangsrichtung erstreckt und ein Axialabschnitt sich in axialer Richtung und Umfangsrichtung erstreckt, wobei im Bereich, wo Radialabschnitt und Axialabschnitt

zusammentreffen eine Dichtungskammer vorgesehen ist, welche radial und axial gegenüber dem angrenzenden Spaltabschnitten aufgeweitet ist, wobei in der Dichtungskammer eine Dichtung angeordnet ist, wobei in dem Radialabschnitt ein höherer Druck anliegt als in dem Axialabschnitt, welche

Druckdifferenz mittels der Dichtung abgedichtet ist.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Dichtung der

vorstehenden Art und für die vorstehend definierte

Dichtsituation. Außerdem betrifft die Erfindung einen

Verdichter, der die vorstehende Anordnung umfasst.

Bei Druckbehältern, insbesondere Verdichtergehäusen, kommt es insbesondere im instationären Betrieb häufig zu

Temperaturunterschieden zwischen verschiedenen Modulen des Druckbehälters. Beispielsweise kann bei einem

Hochdruckturboverdichter ein im Wesentlichen zylindrisches Grundgehäuse stirnseitig mittels eines Deckels verschlossen sein, der bevorzugt zumindest teilweise in axialer

Überdeckung in dem Druckbehälter angeordnet ist. In Folge von Temperaturunterschieden kommt es zu radial thermischer

Relativdehnung zwischen dem stirnseitigen Deckel und dem zumindest teilweise ummantelnden Gehäusegrundkörper, wofür entsprechende Bewegungsspiele vorgehalten werden müssen.

Hinzukommt, dass auch in stationären Betrieb Temperaturdifferenzen zwischen den beschriebenen Gehäusebauteilen bewusst aufrecht erhalten werden müssen, damit Randbedingungen für andere Bauelemente erfüllt werden. Beispielsweise müssen Gasdichtungen in einem verhältnismäßig engen Temperaturbereich betrieben werden, so dass in der Kältetechnik Temperaturen von unter -100°C ein Beheizen der Gasdichtung erforderlich machen, um im Zulässigkeitsbereich die Gasdichtung betreiben zu können. Zumindest in dem Bereich der hinsichtlich der sich in Längsrichtung entlang eines Rotors erstreckenden Maschinenachse axialen Überdeckung zwischen dem Deckel und dem Gehäusemantel müssen von dem Außendurchmesser des Deckels abhängige Radialspiele von beispielsweise 2mm/1000mm Außendurchmesser des Deckels vorgesehen werden. Der jüngste Trend zu immer größeren

Verdichterbauformen führt zu Spielen, die sich nicht mehr mittels herkömmlicher statischer Dichtungen abdichten lassen, weil diese bei den anstehenden Drücken und der Größe der abzudichtenden Spalte in den Spalten zerstört werden.

Ausgehend von den oben beschriebenen Problemen hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, besonders große Spalte zwischen zwei relativ zueinander ruhenden Bauteilen

abzudichten .

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine

Weiterbildung der eingangs definierten Anordnung mittels Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 vor. Weiterhin wird vorgeschlagen, den Verdichter der eingangs definierten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 6 weiterzubilden.

Außerdem ist eine erfindungsgemäße Weiterbildung der eingangs definierten Dichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 vorgeschlagen .

Eine radiale Ebene gemäß Anspruch 1 ist eine Ebene, die sich zu einer zentralen Achse der Dichtung derart senkrecht erstreckt, dass die Achse eine Normale zu der Ebene

darstellt. Ein Vorteil der Spiegelsymmetrie der Dichtung zu dieser Ebene ist die Unabhängigkeit der Funktion von der Einbaurichtung .

Herkömmliche Anordnungen, Dichtungen und Verdichter mit derartigen Anordnungen hatten den Nachteil, dass in Folge des Überdrucks aus dem Radialabschnitt des Spaltes und der Weite des Spaltes die Dichtung aus der Dichtungskammer in den Spalt hineingedrückt worden ist zumindest an einigen Stellen des Umfangs und schließlich zerstört wurde in Folge dieser

Verformung. Die daraus entstehenden Undichtigkeiten erfordern eine aufwändige Demontage, was die Verfügbarkeit der Maschine gravierend einschränkt. Zusätzlich stellt eine derartig defekt anfällige Dichtung ein gravierendes Sicherheitsrisiko dar, da beispielsweise toxisches Prozessfluid unter hohen Druck in die Umgebung austreten kann.

Besonders bevorzugt findet die Erfindung bei einem

Durchmesser der ringförmigen Dichtung von mehr als 1000mm. Bei diesen Abmessungen verlangen potentielle thermische

Relativdehnungen einen großen Radialspalt des Deckels zu dem Gehäusegrundkörper bzw. der beiden zueinander abzudichtenden Bauteile eines Druckbehälters.

Besonders zweckmäßig weist der Stützring eine gegenüber dem abzudichtenden Radialspalt des Radialabschnitts größere radiale Erstreckung auf, so dass auch bei großen

Druckunterschieden der Abdichtung ein Eintritt der Dichtung in den Radialabschnitt grundsätzlich ausgeschlossen ist. Der höhere Widerstand des Stützelementes gegen eine

Verformung gegenüber dem Mantelelement kann dadurch

realisiert werden, dass das Stützelement aus Metall besteht und das Mantelelement aus einem Kunststoff, der derartig flexibel ist, dass sich die axialen Begrenzungswände unter dem Druck des Prozessfluids im Axialabschnitt des Spaltes an die Seitenwände der Dichtungskammer anlegen. Das Anlegen der Dichtung an die Seitenwände der

Dichtungskammer bzw. das Anlegen der axialen Begrenzungswände der in der Dichtung sich in Umfangsrichtung erstreckenden Ausnehmung kann zweckmäßig mittels eines V-förmigen und sich in Umfangsrichtung erstreckenden Federelementes unterstützt sein. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn das Federelement eine Vorspannung gegenüber den axialen Begrenzungswänden aufweist. Sinnvoll ist der Bereich des V-förmigen Querschnitts des Federelementes, wo die beiden Schenkel der V-Form

zusammentreffen radial innen angeordnet, so dass die beiden auseinanderstrebenden Enden der V-Form von innen in der

Ausnehmung an den axialen Begrenzungswänden der Ausnehmung anliegen und diese in axialer Richtung auseinanderdrücken.

Eine andere zweckmäßige Weiterbildung sieht vor, dass die axialen Begrenzungswände an der Stelle, wo die V-Form der Feder diese axialen Begrenzungswände von innen berührt, jeweils ein sich nach innen erstreckenden Vorsprung

aufweisen, welcher derart ausgebildet ist, dass das

Federelement gegen ein Austreten aus der umlaufenden

Ausnehmung durch den Vorsprung gesichert ist.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Stützelement auf der Seite, welche dem

Mantelelement zugewendet ist, eine Konturierung aufweist und das Mantelelement auf der dem Stützelement gegenüberliegenden Seite eine korrespondierende Konturierung aufweist, so dass die beiden Konturierungen miteinander einen Formschluss ergeben. Zweckmäßig kann die Konturierung an dem Stützelement hierzu eine umlaufende Erhebung sein und korrespondierend dazu an dem Mantelelement eine umlaufende Ausnehmung.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen

Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Dem Fachmann ergeben sich neben den speziellen Ausführungsbeispielen aus der Beschreibung und einer

beliebigen Kombination der Hauptansprüche mit den rückbezogenen Unteransprüchen zusätzliche Möglichkeiten, die Erfindung auszuführen. Es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen

Druckbehälter eines Turboverdichters,

Figur 2 das Detail II der Figur 1 darstellend eine

erfindungsgemäße Dichtung in einer

erfindungsgemäßen Anordnung. Die Terminologie dieser Patentanmeldung ist derart, dass sämtliche Richtungsangaben, wie axial, radial oder

Umfangsrichtung auf eine Maschinenachse X, wie sie in den Figuren 1,2 angegeben ist, bezogen sind. Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Druckbehälter CAS in der besonders vorteilhaften Anwendungsform der Erfindung an einem Turboverdichter TCO. Der Turboverdichter TCO weist einen sich entlang der Maschinenachse X erstreckenden Rotor R auf, der vom Inneren des Druckbehälters CAS durch eine

Öffnung OP eines Deckels COV nach außen geführt ist. Der

Deckel COV ist von innen in das Druckbehälter CAS eingesetzt, wo er durch einen Überdruck T in dem Druckbehälter CAS nach außen gegen einen Absatz SH an dem Druckbehälter CAS gedrückt wird, welcher Absatz sich in Umfangsrichtung an der mit dem Deckel COV zu verschließenden Gehäuseöffnung OPCAS erstreckt. Der Deckel COV ist außerdem Träger eines Radiallagers BE und einer Wellendichtungsanordnung RS. Der Druckbehälter CAS weist einen Behältergrundkörper BB und einen Deckel COV auf, der die Behältergrundkörperöffnung OPCAS verschließt.

Das mit II in Figur 1 ausgewiesene Detail ist in Figur 2 dargestellt. Zwischen dem Druckbehälter CAS und dem Deckel COV befindet sich ein in Umfangsrichtung erstreckender Spalt GAP. Der Bereich des Spaltes GAP, der in Figur 2 dargestellt ist, ist L-förmig und lässt sich in einem Axialabschnitt APG und einem Radialabschnitt RPG untergliedern. Der

Radialabschnitt RPG neigt unter dem Innendruck P des

Druckbehälters sich zu verengen. Der Axialabschnitt APG weist eine Weite W auf, die den Anforderungen an thermische

Relativdehnungen zwischen dem Deckel COV und dem

Behältergrundkörper BG genügen muss. Je nach Größe des Außendurchmessers bzw. des Radius des

Deckels COV, auf dem sich der Axialabschnitt APG befindet, muss sich bei vorgegebenem thermischem Parametern ein

hinreichendes Bewegungsspiel durch die Breite W im Bereich des Axialabschnittes ergeben. Bei einem Radius von etwa 500mm sollte die Breite W nicht weniger als 2mm betragen, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen zumindest Teilen des Deckels COV und dem Gehäusegrundkörper BB bis zu 50 Kelvin betragen kann. Dieser Richtwert gilt für metallische Werkstoffe, die im Wesentlichen identische Ausdehnungskoeffizienten haben für den Deckel COV und den Grundkörper BB . Bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist diese Dimensionierungsregel anzupassen .

An der Stelle, wo der Axialabschnitt APG und der

Radialabschnitt RPG aufeinandertreffen, ist eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtungskammer SCAV

rechteckigen Querschnitts vorgesehen.

In der Dichtungskammer SCAV ist eine Dichtung SEA angeordnet. Die Dichtung SEA umfasst jeweils sich in Umfangsrichtung erstreckende Bauteile: Stützelement SE, Mantelelement JE und Federelement EEL.

Das Stützelement SE befindet sich radial innen und das

Mantelelement JE schließt sich an das Stützelement SE radial außen an, wobei die Grenzfläche zwischen den beiden Elementen mit einer Konturierung CCN versehen ist, die für einen

Formschluss sorgt. Konkret weist das Stützelement SE einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Vorsprung PRO auf, der sich in Form einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden

Ausnehmung in dem Mantelelement JE formschlüssig abbildet. Das Stützelement SE weist eine radiale Höhe auf, die größer ist als die radiale Breite W des Axialabschnittes APG. Die axiale Ausdehnung des Stützelementes SE ist geringer als die axiale Breite der Dichtungskammer SCAV. Auf diese Weise hindert das Stützelement SE nicht an einer axialen

Verringerung der Breite des Radialabschnittes RPG des Spaltes GAP. Das Stützeelement SE ist aus einem weniger leicht verformbaren Material als das Mantelelement JE - hier besteht es aus Metall.

Das Mantelelement JE, welches aus Kunststoff besteht, weist eine radial nach außen weisende und sich in Umfangsrichtung erstreckende Ausnehmung RE auf. Die Ausnehmung RE hat einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt und ist von zwei axialen Begrenzungswänden ALW beidseitig begrenzt. Ein Federelement EEL von V-förmigen Querschnitt ist in der

Ausnehmung RE derart angeordnet, dass die V-Form des sich in Umfangsrichtung erstreckenden elastischen Federelementes EEL mit ihrer Öffnung nach radial außen weist. Mit anderen

Worten: der Bereich des V-förmigen Querschnitts, eine

Zusammenführungskante EDG, an der zwei Schenkel SHL der V- Form zusammenlaufen, befindet sich radial innen der

Ausnehmung RE . Die beiden radial äußeren Enden der beiden Schenkel der V-Form des Querschnitts berühren linienartig die beidseitig axialen Begrenzungswände ALW. Durch diese

vorgespannte Berührung werden die beiden axialen

Begrenzungswände ALW axial auseinander gedrückt und es kommt zur Anlage an axialen Begrenzungswänden der Dichtungskammer SCAV. Unter Einwirkung des Überdrucks P aus dem Inneren des Druckbehälters CAS weitet sich die Ausnehmung RE der Dichtung SEA zusätzlich auf und es kommt zu einer die Dichtigkeit herstellenden Anlage der Dichtung SEA an den

Begrenzungswänden der Dichtungskammer SCAF.