Vormontierte Einheit

Günter Klier

Die Hochdruckwellendichtung von Espey wird unter anderem bei Getriebe-Mehrwellenverdichtern eingesetzt, die zur Verdichtung und Förderung von Prozessgasen sowie in Luftzerlegungsanlagen Verwendung finden. Mehrwellen-Getriebekompressoren werden heute mit bis zu zehn Stufen gebaut und bis zu einem Betriebsdruck von 225 bar ausgeführt. Aufgrund rotordynamischer Beschränkungen darf das Dichtsystem die Dimensionierung der Welle, des Wellendurchmessers und der Wellenlänge nicht vergrößern. Die gestiegenen Umweltanforderungen verlangen darüber hinaus Nullleckagen an die Atmosphäre sowie geringe Rücklaufleckagen. Diese Anforderungen wurden bei der Entwicklung der Hochdruck-Wellendichtung berücksichtigt.

Die Hochdruckwellendichtung ist eine Labyrinthdichtung zur Abdichtung von Gasen und Dämpfen (Abb. 1). Die einteiligen Dichtringe sind in den Kammerteilen beweglich gelagert und dichten radial zur Welle ab. Durch dieses Konstruktionsprinzip wird die Dichtung mit einem sehr geringen Betriebsspalt gefahren (Abb. 2). Sie benötigt keine zusätzliche Schmierung und ist für 100% Trockenlauf ausgelegt. Im Betrieb wird aufgrund des berührungsfreien Laufs keine zusätzliche Reibleistung erzeugt. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine Dichtungsteile auf der Welle montiert werden müssen, die zusätzliche Wellenschwingungen generieren könnten oder die Bauteildimensionierung vergrößern. Die Abdichtung erfolgt auf der glatten Wellenoberfläche. Die einteiligen Hochdruckdichtringe (Baureihe WKA 802 und WKA 1000 ) bestehen aus zwei Komponenten: einem Kohlering und einer Titanbandage, in die der Kohlering eingeschrumpft ist. Durch dieses Konstruktionsprinzip erhält er seine Formstabilität. Die Anzahl der Dichtringe und die Gehäuseausführung werden durch die Betriebsparameter bestimmt. Zusätzliche Dämpfungselemente verhindern, dass die Dichtringe bei drucklosem Betrieb schwingen und zerstört werden.

Die Hochdruckwellendichtungen sind komplett vormontierte Einheiten. Die Dichtung ist ein Baukastensystem, bei dem die einzelnen Dichtungsteile wie Kammer, Laterne und Sperrgaskammer je nach Betriebsbedingungen hintereinander zusammengestellt werden. Im Vergleich mit anderen Dichtsystemen ist die Dichtung extrem kurzbauend.

Die Dichtungen sind mit Absaug- und Sperrgasanschlüssen ausgeführt. Die Absaugung dient zur gezielten Abführung der Produktleckage in den Niederdruckbereich der Maschine. Die Sperrgasbeaufschlagung verhindert ein Austreten des Produktes an die Atmosphäre. Dabei muss der Sperrdruck immer über dem abzudichtenden Mediumsdruck liegen. Zusätzlich wird mit der Sperrgasbeaufschlagung das Eindringen von Feststoffen verhindert. Der Betriebsspalt der Wellendichtung ist auf die Betriebsbedingungen ausgelegt. Die Spalthöhe wird durch die Wärmeausdehnung der Bauteile, die Fliehkraftaufweitung der Welle oder Wellenhülse und die radiale Druckdeformation der Dichtringe beeinflusst. Daher ist es sehr wichtig, dass für die Berechnung und die Auslegung die exakten Betriebsdaten vorliegen.

Im Vergleich zu den beschriebenen Wellendichtungen sind die Labyrinthe mit Dichtspitzen (Abb. 3) berührungsfreie Dichtungen mit einem größeren Betriebsspalt. Das bedeutet bei gleicher Baulänge eine fünf- bis zehnfach höhere Leckagemenge. Der größere Betriebsspalt ist notwendig, um bei radialen Wellenauslenkungen kein Anlaufen der Dichtspitzen zu erhalten.

Bei dieser Anwendung handelt es sich um einen achtstufigen Mehrwellenkompressor (Abb. 4) für Kohlendioxid mit einem maximalen Betriebsdruck von 187 bar und einer Drehzahl von 7367 1/min bis 26 400 1/min. Die Dichtungspatrone der Stufe 1 ist als einbaufertige Einheit in einem Aufnahmegehäuse montiert. Die Dichtung wurde mit fünf einteiligen Dichtringen ausgeführt, um einen optimalen Druckabbau zu gewährleisten. Der Mediumsdruck wird von 1,97 bar auf 1,15 bar über zwei Dichtringe abgebaut. Zwischen den Dichtringen zwei und drei wird das Medium über eine Absaugkammer zur Saugseite der ersten Stufe zurückgeleitet. Zwischen den Dichtringen drei und vier erfolgt eine Sperrgasbeaufschlagung. Der Sperrgasdruck liegt bei 1,3 bar und damit rund 0,15 bar über dem abzudichtenden Mediumsdruck. Nachgeschaltet ist eine zusätzliche Absaugkammer zur Atmosphäre zwischen Dichtring vier und fünf. Jeder Dichtring ist mit zusätzlichen Dämpfungselementen ausgeführt. Die einzelnen Dichtringkammern werden mit O-Ringen abgedichtet. Die Kammerteile sind aus Edelstahl 1.4021.

Die in der Stufe 8 in dem Aufnahmegehäuse montierte Dichtungspatrone ist mit acht Dichtringen ausgeführt. Der Druck vor der Dichtung beträgt 162,5 bar und wird über drei Dichtringe abgebaut. Zwischen Dichtring drei und vier erfolgt die Absaugung des Mediums und die Rückführung zur 4. Stufe des Kompressors. Über die Dichtringe vier und fünf erfolgt der Druckabbau auf 1,15 bar. In der Kammer zwischen den Dichtringen fünf und sechs befindet sich die Überdachabsaugung der Mediumsleckage CO2 und des Sperrgases. Zwischen den Dichtringen sechs und sieben erfolgt die Sperrgasbeaufschlagung. Nachgeschaltet ist eine zusätzliche Absaugkammer zur Atmosphäre zwischen Dichtring sieben und acht. Wie bei den anderen Stufen ist jeder Dichtring mit zusätzlichen Dämpfungselementen ausgeführt, um ein Schwingen der Dichtringe bei drucklosem Betrieb zu vermeiden. Die Kammerteile sind ebenfalls in Edelstahl 1.4021 ausgeführt. Die oben eingesetzten Wellendichtungen der Baureihe WD802 und WD1000 haben sich als dynamische Abdichtung von Getriebe-Mehrwellenverdichtern etabliert.

E cav 253