CH641883A5

CH641883A5 - Verfahren und einrichtung zum dichten einer drehbaren welle einer maschine.

Info

Publication number: CH641883A5
Application number: CH989879A
Authority: CH
Inventors: M Raymond Hill
Original assignee: Carrier Corp
Priority date: 1978-11-06
Filing date: 1979-11-05
Publication date: 1984-03-15
Also published as: US4257617A

Description

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PATENTANSPRÜCHE beitsmedium aus dem Gebiet (B) hohen Druckes in das Ge-

1. Verfahren zum Dichten einer drehbaren Welle einer biet (A) niedrigeren Druckes verhindert, wenn sich die Welle Maschine zwecks Verhinderns des Übertrittes eines Arbeits- (11) mit niedriger Drehzahl dreht.

médiums von einem Bereich (B) hohen Druckes innerhalb der 7. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch geMaschine in ein diesen Bereich umgebendes Gebiet (A) nied- 5 kennzeichnet, dass jeder Dichtungsring ( 12,13) der ersten rigeren Druckes, wobei der Strom von Medium entlang der Dichtung mehrere in Umfangsrichtung in Abständen vonein-Welle (11) durch eine erste Dichtung (12,13) und eine zweite ander angeordnete Führungsstifte (21) trägt und dass jeder Dichtung (15,16) gedrosselt wird und wobei eine erste Kraft Dichtungsring (15,16) der zweiten Dichtung mehrere in Um-vorbestimmter Grösse erzeugt wird, um die zweite Dichtung fangsrichtung in Abständen voneinander angeordnete (15,16) in dichtender Berührung mit der Welle (11) zu halten, io Schlitze (20) aufweist, wobei sich die Führungsstifte (21) in dadurch gekennzeichnet, dass einem Dichtungsbereich (36) die Schlitze (20) erstrecken, um die Dichtungsringe (15,16) ein Sperrfluid zugeführt wird, um eine zusätzliche Dichtung der zweiten Dichtung für die Bewegung derselben radial aus-zu bilden, die den Übertritt des Arbeitsmediums aus dem Be- wärts von der Welle (11) weg verschiebbar zu führen.

reich (B) hohen Druckes in das Gebiet (A) niedrigeren Druk-

kes verhindert, dass ein Teil des Sperrfluids dazu verwendet 15

wird, eine zweite Kraft zu entwickeln, die entgegen der ersten

Kraft auf die zweite Dichtung (15,16) wirkt und deren Grösse Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine sich proportional mit der Drehzahl der Welle (11) ändert, und Einrichtung zum Dichten einer drehbaren Welle einer Ma-dass die zweite Dichtung (15,16) radial auswärts von der schine, z.B. einer Turbine oder eines Kompressors, zwecks

Welle (11) weg bewegt wird, wenn die Grösse der zweiten 20 Verhinderns des Übertrittes eines Arbeitsmediums von einem Kraft die Grösse der ersten Kraft übersteigt. Bereich hohen Druckes innerhalb der Maschine in ein diesen

2. Dichtungseinrichtung an einer Welle zur Durchführung Bereich umgebendes Gebiet niedrigen Druckes.

des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer ersten die Welle Damit sich eine rotierende Welle durch eine Wand, z.B.

(11) umgebenden Dichtung (12,13) zum Drosseln des Stro- eines Kompressors oder einer Turbine, hindurch erstrecken mes von Medium entlang der Welle (11), einer zweiten die - 25 kann, miiss zwischen der Welle und dem Rand der Öffnung in Welle umgebenden Dichtung (15,16) zum weiteren Drosseln der Wand ein Zwischenraum vorhanden sein. Arbeitsgas oder des Stromes von Medium entlang der Welle und Mitteln (22) Hochdruckgas, das sich auf einer Seite der Wand befindet, zum Erzeugen der ersten Kraft vorbestimmter Grösse, um die zeigt daher die Tendenz, entlang der Welle der Maschine zweite Dichtung (15,16) in dichtender Berührung mit der durch den genannten Zwischenraum hindurch in die Umge-Welle (11) zu halten, gekennzeichnet durch Leitungen (23,24) 30 bungsatmosphäre oder ein anderes Gebiet niedrigeren Druk-zum Zuführen des Sperrfluids zu dem Dichtungsbereich (36), kes auf der anderen Seite der Wand auszutreten. Daher ist es um einen Übertritt des Arbeitsmediums aus dem Bereich (B) meist erforderlich, um die Welle herum eine Dichtungsein-hohen Druckes in das Gebiet (A) niedrigeren Druckes zu ver-. richtung anzuordnen, die einen Austritt bzw. eine Leckage hindern, und Kanäle (26) zum Zuführen eines Teils des Sperr- von Gas durch den Zwischenraum zwischen der Welle und fluids in die zweite Dichtung (15,16) für die Erzeugung der 35 der Wand hindurch verhindert. In manchen Anwendungen zweiten Kraft, die entgegen der ersten Kraft auf die zweite muss auch verhindert werden, dass ein Arbeitsgas, das mit ei-Dichtung (15,16) wirkt, wobei die Grösse der zweiten Kraft nem Abschnitt der Welle in Berührung steht, mit anderen Me-sich proportional mit der Drehzahl der Welle (11) ändert, so dien in Berührung kommt oder vermischt wird, die sich bei ei-dass die zweite Dichtung (15,16) radial auswärts von der nem anderen Abschnitt der Welle befinden.

Welle (11) weg bewegt wird, wenn die Grösse der zweiten -»o Es ist üblich, zwischen der Umgebungsatmosphäre und Kraft die Grösse der ersten Kraft übersteigt. dem Gebiet des Arbeitsgases Labyrinthdichtungen und Koh-

3. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- leringdichtungen anzuordnen, um die Leckage von Gas auf kennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen der ersten Kraft ein Minimum zu beschränken. Kohleringdichtungen eignen Federn (22) enthalten, die mit der zweiten Dichtung (15,16) sich für Anwendungen, bei denen die Wellendrehzahlen rela-in Berührung stehen, um dieselbe radial einwärts in dichtende 45 tiv niedrig sind. Bei hohen Drehzahlen und hohen Drücken Berührung mit der Welle (11) zu drücken, damit der Austritt sind Labyrinthdichtungen besser geeignet, da diese die Welle von Arbeitsmedium in das Gebiet (A) niedrigeren Druckes nicht berühren. Oft ist es auch wünschbar, ein Arbeitsgas unverhindert wird, wenn sich die Welle (11) mit niedriger Dreh- ter Verwendung von Labyrinthdichtungen oder Kohleringzahl dreht. dichtungen vollständig in einem Kompressor zu isolieren. In

4. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, da- so solchen Fällen kann eine kleine Menge eines Sperrfluids in durch gekennzeichnet, dass die erste Dichtung (12,13) von den Bereich zwischen dem Arbeitsgas und der Dichtung ein-zwei einander benachbarten Dichtungsringen (12,13) gebil- geführt werden, um einen Puffer oder eine Sperre zu bilden, det ist, die je eine innere Ausnehmung (17) aufweisen, und Das Sperrfluid wird in den genannten Bereich im allgemeinen dass die zweite Dichtung (15,16) ihrerseits von zwei einander mit einem Druck eingeführt, der etwas höher ist als der Druck benachbarten Dichtungsringen (15,16) gebildet ist, die in die 55 des Arbeitsmediums. Das Hochdruck-Sperrfluid strömt dann inneren Ausnehmungen (17) der Dichtungsringe (12,13) der von der Einführungsstelle in entgegengesetzten Richtungen ersten Dichtung eingesetzt sind. längs der Welle, d.h. einerseits gegen ein Gebiet niedrigen

5. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- Druckes oder die Umgebungsatmosphäre und anderseits gekennzeichnet, dass jeder Dichtungsring (15,16) der zweiten gen das Arbeitsgasgebiet im Kompressor. Da der Druckun-Dichtung je aus einer Reihe von Segmenten (27) zusammen- «so terschied zwischen dem Arbeitsmedium und dem Sperrfluid gesetzt ist, von denen jedes eine innere Ausnehmung (29) auf- in der Regel nur klein ist, ist der Sperrfluidverbrauch gering, weist, die sich von der Welle (11) aus radial nach aussen er- Die Labyrinthdichtung, die bei hohen Drücken wirksam streckt und einen Durchlass für das Sperrfluid bildet. dichtet, hindert die Medien daran, in die Umgebungsatmo-

6. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- sphäre auszutreten.

kennzeichnet, dass die einander benachbarten Dichtungsringe65 Bei kleinen Druckunterschieden, wie sie auftreten, wenn (15,16) der zweiten Dichtung bezüglich einander in Umfangs- die Welle stillsteht oder sich mit relativ niedrigen Drehzahlen richtung versetzt sind, um eine geschlossene, die Welle (11) dreht, ist die Wirksamkeit einer Labyrinthdichtung weniger umgebende Dichtung zu bilden, die den Übertritt von Ar- gut. Für solche Bedingungen eignet sich eine Kohleringdich-

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tung besser. Labyrinthdichtungen sind also für hohe Dreh- tungsringen 12 und 13, die mit Schrauben 14 befestigt sind, zahlen und Druckunterschiede geeignet. Dagegen sind Kohle- und eine Kontaktdichtung mit beispielsweise zwei um die ringdichtungen bei hohen Drehzahlen weniger günstig, weil Welle 11 herum angeordneten Kontaktdichtungsringen 15 sie die Welle berühren und daher einem hohen Verschleiss und 16. Die Dichtungsringe 15 und 16 sind in einer Ausneh-ausgesetzt sind. 5 mung 17 angeordnet, die von inneren Seiten 18 der Laby-

Für Anwendungen, bei denen sowohl hohe Drehzahlen rinthdichtungsringe 12 und 13 begrenzt ist. Die Kontaktdich-und Drücke als auch niedrige Drehzahlen und Drücke vor- tungsringe 15 und 16 bestehen vorzugsweise aus Kohle oder kommen, z.B. bei Schmierölkammern von Turboladern, ist einem ähnlichen Material. In den Kontaktdichtungsringen 15 eine gute Dichtungswirkung bei beiden Betriebszuständen er- und 16 ist je eine Reihe von in Umfangsrichtung in Abstän-wünscht. Mit einer Kombination einer Labyrinthdichtung io den voneinander angeordneten Schlitzen 20 vorgesehen. Füh-und einer Kohleringdichtung kann eine einzige Dichtungsein- rungsstifte 21, die in den Labyrinthdichtungsringen 12 und 13 richtung in einer Maschine, in der die Wellendrehzahl und der befestigt sind, erstrecken sich in die Schlitze 20, um die Kon-Betriebsdruck stark variieren, eine gute Wirksamkeit auf- taktdichtungsringe 15 und 16 verschiebbar zu führen. Mit weisen. dem Umfang der Dichtungsringe 15 und 16 stehen Federn 22

Dichtungseinrichtungen, die eine Kombination von zwei 15 in Berührung, die die Dichtungsringe radial nach innen gegen Dichtungen verwenden, um den Strom von Gasen entlang ei- die Welle 11 drücken. In den Labyrinthdichtungsringen 12 ner Welle zu drosseln, sind bekannt. Die erste Dichtung in und 13 sind Kanäle oder Leitungen 23,24 vorgesehen, die ein solchen Dichtungseinrichtungen ist vorzugsweise eine auf der Sperrfluid, z.B. Sperrgas aus einer Quelle desselben (nicht Welle angeordnete Labyrinthdichtung. Die zweite Dichtung dargestellt) radial einwärts gegen die Welle 11 führen. An den kann eine Kohle- oder Graphitringdichtung sein, die bei still- 20 Enden der Kanäle 23,24 können Düsen 25 vorgesehen sein, stehender Welle wirksam ist, um den Gasstrom entlang der die die in die Dichtungsbereiche 36 der Welle 11 ausgestos-Welle zu beschränken. Wenn sich die Welle dreht, wird die sene Sperrfluidmenge regulieren. Ferner sind in den Laby-Kohleringdichtung durch einen Zentrifugalmechanismus rinthdichtungsringen 12 und 13 Öffnungen 26 vorgesehen, die axial an eine Stelle verschoben, wo sie keine Dichtungswir- Sperrfluid aus den Kanälen 23,24 in Ausnehmungen 29 über-kung für das Betriebsgas mehr hat. In diesen bekannten Dich 25 treten lassen, die in den Kontaktdichtungsringen 15 und 16 tungseinrichtungen ist somit ein komplizierter, durch Zentri- ausgebildet sind. Der Druck des Sperrfluids in den Ausneh-fugalkräfte betätigter Mechanismus erforderlich, um die mungen 29 erzeugt eine Kraft, die bezüglich der Welle 11 ra-

Kohlenringdichtung aus der dichtenden Berührung mit der dial auswärts auf die Ringe 15 und 16 wirkt und diese Ringe Welle zu lösen. bezüglich der Welle radial nach aussen bewegt, wenn die vom

Von diesem Stand der Technik ausgehend hat die Auf- 30 Sperrfluid erzeugte Kraft grösser ist als die Kraft der Federn gäbe der Erfindung darin bestanden, ein Verfahren und eine 22.

Einrichtung zum Dichten einer drehbaren Welle einer Ma- Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, besteht jeder Kontaktdich-

schine, z.B. Turbomaschine, zu schaffen, mit denen der Aus- . tungsring 15 und 16 aus beispielsweise vier Segmenten 27, wo-tritt eines Arbeitsmediums aus der Maschine bei verschiede- bei jedes dieser Segmente eine Ausnehmung 29 aufweist, die nen Drehzahlen der Welle wirksam verhindert werden kann, 35 sich von der Mitte des Ringes nach aussen erstreckt. Die einwobei die Konfiguration der Dichtungseinrichtung ohne Ver- ander benachbarten Dichtungsringe 15 und 16 sind bezüglich wendung eines Zentrifugalmechanismus in Abhängigkeit von einander in Umfangsrichtung versetzt, so dass die radiale der Drehzahl der Welle geändert werden kann. Achse jedes Segmentes 27 des hinteren Dichtungsringes 15

Das erfindungsgemässe Verfahren und die ebenfalls erfin- zwischen den radialen Achsen zweier benachbarter Segmente dungsgemässe Wellendichtungseinrichtung zur Durchfüh- 40 des vorderen Dichtungsringes 16 liegt, womit eine zuverläs-rung desselben sind in den Patentansprüchen 1 bzw. 2 de- sige Dichtung um den ganzen Umfang der Welle 11 herum ge-finiert. bildet ist.

Die Wellendichtungseinrichtung enthält vorzugsweise als Im Betrieb wird ein Sperrfluid aus einer Quelle desselben, erste Dichtung eine Labyrinthdichtung und als zweite Dich- z.B. aus dem Auslass des Kompressors, durch die Kanäle 23 tung eine Kohleringdichtung, die in eine Ausnehmung in der 45 und 24 in die Dichtungsbereiche 36 geführt. Der Druck des ersten Dichtung eingesetzt sein kann und die bei steigender Sperrfluids ist höher als der Druck des Arbeitsmediums im Drehzahl der Welle durch den Druck des Sperrfluids (in der Gebiet B, so dass kein Arbeitsmedium aus dem Gebiet B in Regel Sperrgas) radial auswärts von der Welle weg bewegt das Gebiet A übertreten kann. Der Strom von Arbeitsme-wird. Zum Bewirken dieser Bewegung sind kein Zentrifugal- dium durch die Dichtungseinrichtung wird durch das be-mechanismus und keine zusätzlichen beweglichen Teile erfor- so kannte Wirkungsprinzip der Labyrinthdichtungsringe 12 und derlich. 13 beschränkt. Unter Betriebsbedingungen, bei denen sich die

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend Welle 11 nicht oder mit relativ niedrigen Drehzahlen dreht, ist anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen zeigen: der Druck des Sperrfluids relativ niedrig. Der Druck des aus

Fig. 1 eine Wellendichtungseinrichtung im Schnitt nach dem Auslass des Kompressors bezogenen Sperrfluids ist pro-der Linie I-I in Fig. 2 und ss portional zur Drehzahl der Welle 11. Unter diesen Bedingun-

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1. gen reicht der Druck des durch die Kanäle 23,24 und doe Öff-Die dargestellte Wellendichtungseinrichtung 10 dient in nungen 26 in die Ausnehmungen 29 eingeführten Sperrfluids einer Turbomaschine zum Verhindern des Austrittes von Ar- nicht aus, um die von den Federn 22 erzeugten Kräfte zu beitsmedium, z.B. Gas, aus einem Gebiet B höheren Druckes, überwinden. Daher werden die Ringe 15 und 16 mit der Welle z.B. der Auslasseite eines Kompressors, in ein Gebiet A nied- 6011 in Berührung gehalten, um die Dichtungswirkung der Längeren Druckes, z.B. die Umgebung. byrinthdichtungsringe 12,13 zu unterstützen. Die Kontakt-Die Turbomaschine kann irgend eine Form haben, z.B. dichtungsringe 15 und 16 tragen also dazu bei, den Austritt eine Turbine oder ein Kompressor sein, deren umlaufende von Arbeitsmedium aus dem Gebiet B in das Gebiet A zu ver-Teile auf einer Welle 11 montiert sind. Die Wellendichtungs- hindern, wenn die Turbomaschine stillsteht oder nur langsam einrichtung 10 ist um die Welle 11 herum angeordnet, um den 65 läuft.

Austritt von Arbeitsmedium aus dem Gebiet B in das Gebiet Mit steigender Drehzahl der Welle nimmt auch der Druck

A zu verhindern. Die Dichtungseinrichtung 10 enthält eine des Sperrfluids entsprechend zu, das durch die Kanäle 23,24 Labyrinthdichtung mit beispielsweise zwei Labyrinthdich- den Dichtungsbereichen 36 zugeführt wird. Sperrfluid mit

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dem relativ hohen Druck tritt auch durch die Öffnungen 26 in die Ausnehmungen 29 ein. Der Druck des Sperrfluids in den Ausnehmungen 29 ist dann so hoch, dass er eine auf die Oberseiten 34 der Ausnehmungen 29 wirkende radiale Kraft entwickelt, welche ausreicht, um die von den Federn 22 erzeugten Kräfte zu überwinden und die Segmente 27 der Ringe 15 und 16 bezüglich der Welle 11 nach aussen zu bewegen. Bei hohen Drehzahlen der Welle 11 berühren also die Kontaktdichtungsringe 15 und 16 die Oberfläche der Welle 11 nicht.

Das Sperrfluid, das einen Druck hat, der höher ist als der Druck des Arbeitsmediums, strömt durch die Kanäle 23,24 und die Düsen 25 in die Dichtungsbereiche 36 und wirkt mit den Labyrinthdichtungsringen 12,13 zusammen, um eine 5 Sperre für den Strom von Arbeitsmedium aus dem Gebiet B in das Gebiet A zu erzeugen.

Die beschriebene Anordnung bildet eine einfache, billige und wirksame Dichtungseinrichtung für die Welle einer Maschine.

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1 Blatt Zeichnungen