CH641878A5 - Wellendichtungseinrichtung. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellendichtungsein- element in ein im stationären Element ausgebildetes axiales richtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Loch eingesetzt, um als Rollenlager für den Fixierstift zu

Wellendichtungseinrichtungen, die die Leckage eines Me- 45 wirken.

diums zwischen einer rotierenden Welle und stationären Eie- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend menten einer Turbomaschine, z.B. einer Turbine oder eines anhand der Zeichnung erläutert. In dieser zeigen: Kompressors, minimal halten, sind bekannt. Das Ziel der Er- Fig. 1 einen Teil eines Axialschnittes durch eine Dich-findung besteht in einer Verbesserung einer für hohe Drücke tungseinrichtung für eine Turbomaschine,

verwendbaren Wellendichtungseinrichtung, die einen Dich- 50 Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 und tungsring enthält, dessen Drehung um die Achse der Welle Fig. 3 in einem ähnlichen Querschnitt wie Fig. 2 eine an verhindert wird. dere Ausführungsform der Wellendichtungseinrichtung.

In vielen mit hohen Drehzahlen und hohen Drücken ar- Die Fig. 1 und 2 zeigen Schnitte durch einen Teil einer behenden Maschinen, z.B. Turbinen und Kompressoren, sind Turbomaschine, die ein stationäres Element 10 aufweist, wel-die rotierenden Teile der Maschine auf einer Welle montiert, 55 ches eine Endwand oder einen Stator bildet und in einer Öff-die in einer Öffnung beispielsweise in einer Endwand eines nung in einem äusseren Gehäuse 12 der Turbomaschine ange-Druckgehäuses der Maschine drehbar gelagert ist. In der Ge- ordnet ist. Die Turbomaschine ist beispielsweise ein Zentrifu-häuseöffnung ist in der Regel eine Wellendichtungseinrich- galkompressor oder eine Axialturbine. Der Stator 10 ist am tung angeordnet, um den Austritt von Druckmedium aus ei- Gehäuse 12 durch konventionelle Befestigungsmittel, zi.B. mit nem Hochdrackbereich in einen Niederdruckbereich zu ver- 60 einem Schubkeil 11, unbeweglich befestigt.

hindern. Der Stator 10 besitzt eine Öffnung, durch die sich eine

Es ist bekannt, in einem stationären Element einer solchen drehbare Welle 13 erstreckt. Die Welle 13 erstreckt sich in Maschine einen nicht drehbaren Dichtungsring derart anzu- axialer Richtung aus einem Hochdrackbereich 14 der Ma-ordnen, dass die sich gegenüberstehenden Oberflächen des schine in einen Niederdruckbereich 15. Üblicherweise Dichtungsringes und des stationären Elementes einen Ab- 65 herrscht im Niederdruckbereich 15 etwa Atmosphärendruck, stand voneinander haben. In einer üblichen Anordnung ist Der Stator 10 hält einen Dichtungsring 16, der mit einem enzwischen dem Dichtungsring und stationären Teilen eines gen Laufsitz auf den äusseren Umfang der Welle 13 passt. Die Kompressors ein Stift vorgesehen, der die Drehung des Dich- inneren Oberflächen des Stators 10 begrenzen eine Kammer

17, und ihre Form ist an die Form des Dichtungsringes 16 an-gepasst. Ein sich axial erstreckender Abschnitt 21 des Stators 10 weist einen Einschnitt 20 zur Aufnahme eines sich radial erstreckenden Fixierstiftes 22 auf. Der Fixierstift 22 ist mit einem Pressitz in ein Loch 27 im Dichtungsring 16 eingesetzt und erstreckt sich vom Dichtungsring 16 nach aussen in den Einschnitt 20, um eine Drehung des Dichtungsringes um die Achse der Welle zu verhindern. Obwohl der Fixierstift 22 die Drehung des Dichtungsringes 16 verhindert, ist die Verbindung zwischen dem Stift und dem Stator 10 derart, dass sich der Dichtungsring frei in radialen und axialen Richtungen verschieben kann, um Bewegungen der Welle 13 im Betrieb mit hohen Drehzahlen und bei hohen Drücken zu kompensieren.

Der Fixierstift 22 weist an seinem Umfang eine Abflachung 23 auf. In den sich axial erstreckenden Abschnitt 21 des Stators 10 ist ein axiales Loch 24 gebohrt, das durch eine der an den Einschnitt 20 begrenzenden Seitenwandoberflächen 28 verläuft. Das Loch 24 ist durch diejenige Seitenwandoberflä-che des Einschnittes 20 gebohrt, gegen welche der Stift 22 infolge der Drehung der Welle 13 gedrückt wird. Beispielsweise dreht sich die Welle 13 in Fig. 2 im Uhrzeigersinn, und daher verläuft das Loch 24 durch die rechte Seitenwandoberfläche des Einschnittes 20. Das Loch 24 ist zum Einschnitt 20 hin durch einen Schlitz 29 offen. Die Breite des Schlitzes 29 ist kleiner als der Durchmesser des Loches 24. Der Zweck der von dem Schlitz 29 gebildeten Öffnung in der Seitenwandoberfläche 28 wird im Nachstehenden erläutert. Ein gehärtetes Rollenelement 25 ist mit einem Schiebesitz in das Loch 24 eingesetzt und steht mit der Abflachung 23 in Berührung, die an der dem Loch 24 zugewandten Seite des Fixierstiftes 22 vorgesehen ist. Das Rollenelement 25 besteht aus einer gehärteten Stahllegierung und besitzt bei den Temperaturen und Drücken, wie sie in der Turbomaschine vorkommen, einen hohen Abriebwiderstand und Korrosionswiderstand. Das in das axiale Loch 24 eingesetzte Rollenelement 25 sollte fein poliert sein. Der Durchmesser des Loches 24 ist geringfügig grösser als der Durchmesser des Rollenelementes 25, damit sich das letztere frei um seine Achse drehen kann. Durch den Schlitz 29 wird das Rollenelement 25 in dem Loch 24 gehalten. Das Rollenelement 25 bildet eine Lagerfläche für den Stift 22, um die Reibung, die durch die radiale Relativbewegung zwischen dem Stift 22 und dem Stator 10 entsteht, auf ein Minimum zu beschränken. Axiale Ölfzufuhrkerben oder -löcher 26 sind um die Lagerfläche für das Rollenelement 25 herum in der Seitenfläche des Statorenabschnittes für die Schmierung des Rollenelementes vorgesehen. Man könnte für die Schmierung auch axiale Nuten vorsehen, die sich über die ganze Länge des Rollenelementes 25 erstrecken. Öl wird in die axialen Löcher 26 aus dem Hochdruckbereich 14 eingeführt, um Schmutz und andere feste Fremdkörper laufend aus den axialen Löchern herauszuspülen. _

In bekannten Dichtungseinrichtungen wurde der zum Verhindern einer Drehung des Dichtungsringes verwendete Stift durch die Drehung der Welle direkt mit einer der den Halteeinschnitt begrenzenden Seitenwandflächen in Berüh-

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rung gedrückt. Wegen der dabei entstehenden Schrägstellung des Stiftes bezüglich der berührten Seitenwandfläche berührte effektiv nur das obere Ende des Stiftes den oberen Abschnitt der Seitenwandfläche. Der Stift scheuerte schliesslich einen 5 Kanal in die Seitenwandfläche. Wenn danach durch radiale Verschiebung der Welle der Dichtungsring radial nach aussen bewegt wurde, konnte der Stift im ausgeschabten Kanal festgeklemmt werden. Nachfolgende Bewegungen der Welle konnten dann zu einem Bruch des Stiftes und damit zu einem io Versagen der Dichtungseinrichtung führen, da sich der Dichtungsring nicht mehr zusammen mit der Welle radial bewegen konnte. Durch die Einführung des als Rollenlager wirkenden Rollenelementes 25 zwischen den zusammenwirkenden Oberflächen des Stiftes 22 und der Seitenwand 28 ist es dem Stift i5 nicht mehr möglich, einen Kanal in die Seitenwandfläche zu schaben. Zudem wird durch die Verwendung des Rollenlagers die gleitende Reibung ausgeschaltet, die bisher zwischen den einander zugekehrten Oberflächen des Stiftes und der Einschnitt-Seitenwand auftrat, so dass sich der Dichtungsring 20 16 freier mit der Welle 13 radial bewegen kann.

Vorzugsweise besitzt der Stift 22 wie beschrieben eine Abflachung 23, die mit dem Rollenelement 25 in Berührung steht. Diese Abflachung reduziert die spezifische Belastung des Stiftes im Vergleich zu der Belastung, die bei einer Punkt-25 berührung zwischen dem Stift und dem Rollenelement entstehen würde.

Um die reibungsvermindernde Wirkung noch zu verstärken, die durch die Verwendung eines Rollenlagers zwischen 30 dem Stift 22 und der Seitenwand 28 erzielt wird, können mehrere Rollenelemente 25 in axiale Löcher 24 im Endabschnitt des Stators 10 eingesetzt werden, um mehrere Nadellager zu bilden, die mit dem Fixierstift 22 in Berührung stehen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Jedes axiale Loch 35 24 ist mit axialen Nuten 26 für die Zufuhr von Öl zur Schmierung der Rollenelemente versehen.

Im Betrieb wird der Strom von Arbeitsmedium aus dem Hochdruckbereich 14 in den Niederdruckbereich 15 durch den Dichtungsring 16 gedrosselt, der normalerweise nur ge-40 ringe Mengen des Arbeitsmediums durchtreten lässt. Bei Betriebsbedingungen mit hohem Druck und hoher Temperatur treten verstärkte Maschinenvibrationen auf, die relativ grosse Auslenkungen der Welle zur Folge haben, welche zu entsprechenden radialen Bewegungen des Dichtungsringes 16 im Sta-45 tor 10 führen. Der am Dichtungsring 16 befestigte Fixierstift 22 bewegt sich dabei im Einschnitt 20 ebenfalls radial. Bei der Bewegung in radialer Richtung wird der Fixierstift 22 bezüglich des Rollenelementes 25 verschoben, wodurch das Rollenelement um seine Achse gedreht wird. Die Rollenoberfläche so ermöglicht eine reibungsarme Bewegung des Fixierstiftes. Das in den Öffnungen 26 enthaltene Öl sorgt für eine wirksame Schmierung des Rollenelementes 25.

Mit der beschriebenen Einrichtung wird in einfacher, billiger und sehr wirksamer Weise erreicht, dass der Dichtungs-55 ring nicht durch Binden eines Fixierstiftes in einem in den Stator gescheuerten Kanal radial unbeweglich werden kann.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. 641878 2

   PATENTANSPRÜCHE tungsringes verhindert. Der Stift ist vorzugsweise mit einem

   1. Wellendichtungseinrichtung auf einer Welle, zum Ver- Pressitz in den Dichtungsring eingesetzt und steht mit einem hindern des Austrittes eines Arbeitsmediums längs der Welle, stationären Element, z.B. einem Statorelement der Dich-mit einem stationären Element (10) und mit einem Dichtungs- tungseinrichtung, in Verbindung, um die Drehung des Dich-element (16), das innerhalb des stationären Elementes (10) auf 5 tungsringes mit der Welle zu verhindern. Obwohl der Stift die der Welle (13) mit einem Laufsitz montiert ist, um den Aus- Drehung des Dichtungsringes verhindert, ist die Verbindung tritt des Arbeitsmediums aus einem Hochdruckbereich (14) in des Stiftes mit dem stationären Element derart, dass sich der einen Niederdruckbereich (15) zu verhindern, dadurch ge- Dichtungsring in radialer Richtung bezüglich der Achse der kennzeichnet, dass an dem Dichtungselement (16) ein Fixier- Welle bewegen kann. Zu diesem Zweck erstreckt sich der Stift stift (22) befestigt ist, der sich vom Dichtungselement (16) ra- io frei in einen Einschnitt hinein, der im stationären Element dial nach aussen erstreckt und in das stationäre Element (10) ausgebildet ist.

   eingreift, um das Dichtungselement (16), zum Verhindern ei- Wellendichtungseinrichtungen der vorstehend beschriebener Drehung desselben, mit dem stationären Element (10) zu nen Art werden beispielsweise in Turbomaschinen verwendet, verbinden, dass das stationäre Element (10) mit einem Ein- die mit relativ hohen Drücken arbeiten. Manche solche Ma-schnitt (20) zur Aufnahme des Fixierstiftes (22) versehen ist, 15 schinen werden für Anwendungen eingesetzt, bei denen varia-wobei die Passung zwischen dem Einschnitt (20) und dem Fi- ble Betriebsdrücke auftreten. Die radiale Bewegung der Welle xierstift (22) so gewählt ist, dass sich das Dichtungselement bei hohen Drehzahlen und Drücken bewirkt eine entspre-(16) bezüglich der Welle (13) radial bewegen kann, und dass chende radiale Bewegung des Dichtungsringes. Nach längerer in dem stationären Element (10) wenigstens ein Lagerelement Betriebszeit der Maschine kann durch die Bewegung des (25) gehalten ist, welches senkrecht zum Fixierstift (22) ange- 20 Dichtungsringes und des Stiftes bezüglich des Einschnittes im ordnet ist und eine Rollenlagerfläche für eine sich radial er- stationären Element die Oberfläche des oberen Endes des Stif-streckende Fläche (23) des Fixierstiftes (22) bildet, um eine tes einen Kanal oder eine Rinne in eine benachbarte Seitenfreie radiale Bewegung des Fixierstiftes (22) und des Dich- wand des Einschnittes scheuern, mit der der Stift in Berüh-tungselementes (16) nach aussen in den Einschnitt (20) zu er- rang gedrückt wird. Bei hohen Drehzahlen und Drücken, möglichen. 25 wenn relativ grosse radiale Auslenkungen der Welle auftre-
2. 2. Wellendichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ten, kann sich der Stift in dem so ausgeschabten Kanal festgekennzeichnet, dass die Fläche des Fixierstifts (22) eine Ab- klemmen. Wenn der Stift festgeklemmt wird, kann er durch flachung (23) ist, die mit der Rollenlagerfläche des Lagerele- die hohe Belastung des Dichtungsringes durch die Welle zer-mentes (25) in rollender Berührung steht. brechen. Zudem wird die Welle umgebende Oberfläche des
3. 3. Wellendichtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch so Dichtungsringes rasch abgenutzt, weil sich der Dichtungsring gekennzeichnet, dass in dem stationären Element (10) meh- nicht mehr radial bewegen kann, wenn der Stift im Kanal rere Rollenlagerelemente (25) gehalten sind, die mit der Ab- festgeklemmt ist. Durch radiale Verschiebung der Welle in flachung (23) des Fixierstiftes (22) in Berührung stehen und je Berührung mit dem Dichtungsring wird der Ölfilm zerstört, eine Rollenlagerfläche bilden. der normalerweise zwischen dem Dichtungsring und der
4. 4. Wellendichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 35 Welle vorhanden ist, wodurch die Vibrationen der Welle ver-1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. jedes Lagerele- stärkt werden und eine rasche Abnutzung des Dichtungsrin-ment (25) in einem sich axial erstreckenden Loch (24) ange- ges bewirkt wird. Diese Bedingungen wirken sich nachteilig ordnet ist, das durch eine der Seitenwandoberflächen (28) des auf die Leistungsfähigkeit der Turbomaschine aus. Einschnittes (20) verläuft. Die mit den in der Kennzeichnung des Patentanspruchs 1

   40 angegebenen Mitteln gelöste Aufgabe der Erfindung hat darin bestanden, diese Nachteile und Probleme zu vermeiden.

   Vorzugsweise ist als Lagerelement ein gehärtetes Rollen-