CH668813A5

CH668813A5 - Gasgesperrte axiale wellendichtung.

Info

Publication number: CH668813A5
Application number: CH44886A
Authority: CH
Inventors: Karl Arenz
Original assignee: Escher Wyss Ag
Priority date: 1986-02-05
Filing date: 1986-02-05
Publication date: 1989-01-31
Also published as: DE3612327C2; DE3612327A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine gasgesperrte axiale Wellendichtung, insbesondere für Turboverdichtung und andere Turbomaschinen, bestehend aus einem mit der Welle rotierenden Wellenbund und einem nicht umlaufenden, axial beweglichen Gleitring mit einer Sperrgaseinspeisung in die Gleitfläche, wobei der Gleitring über zwei konzentrische Bälge mit einer feststehenden Wand in Verbindung steht und die Sperrgaszuführung zwischen den Bälgen erfolgt

Eine gasgesperrte Wellendichtung der genannten Art ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 21 34 964. Sie dient dazu, den Maschineninnenraum an der Wellendurchführung nach aussen hin bei ldeinstmöglicher Leckage berührungsfrei abzudichten bzw. unter geringstmöglichem Sperrgasdurchsatz ein Heraustreten eines Gases aus dem Innenraum zu verhindern. Die zulässigen Mengenströme sind dabei so klein, dass sie nur durch selbsteinstellende Axialdichtungen mit Spaltweiten von wenigen Hun-dertstelmillimetein realisiert werden können.

Durch den Gleitring hindurch wird dabei - ungefähr in der Mitte seiner Gleitfläche - das Sperrgas in den Dichtspalt gedrückt, wodurch Wellenbund und Gleitring auf Distanz gehalten werden. Damit sich ein stabiler Spalt und ein sperrender Druckberg ausbilden können, muss der Gleitring durch eine äussere Kraft angedrückt werden. Zur Abdichtung der Rückseite des Gleitringes ist daher zwischen ihm und einer feststehenden Wand eine Balgdichtung aus zwei konzentrischen Bälgen angebracht,

zwischen denen die Sperrgaszuführung derart erfolgt, dass die axiale Beweglichkeit des Gleitringes nicht behindert wird.

Die Aufrechterhaltung eines berührungsfreien Spaltes stellt dabei grosse Anforderungen an die Ebenheit der Gleitfläche;

5 diese Ebenheit wird durch unterschiedliche Wärmedehnungen beeinträchtigt, die nie ganz zu vermeiden sind, weil Dehnungsdifferenzen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzten Gleitringteile, also des eigentlichen Gleitringes und der Bälge, auftre-io ten. Der eigentliche Gleitring ist beispielsweise aus Wärmeleitungsgründen bevorzugt aus Leichtmetall, während die Bälge aus Festigkeitsgründen aus Stahl bestehen. Die unterschiedlichen Wärmedehnungen führen im allgemeinen zu einer konischen Ver-wölbung der Gleitfläche.

15 Bei der bekannten Konstruktion sind die Bälge auf der Gleitringrückseite befestigt. Damit ergibt sich ein Bi-Metall-Element, bei dem die unterschiedlichen Wärmedehnungen von Gleitring und Bälgen bereits bei geringer Erwärmung eine unzulässige Ver-wölbung hervorrufen; denn wegen des Abstandes zur Mitte des 20 Gleitringes entsteht an der Verbindungsstelle ein Moment, das die Gleitringverwölbung hervorruft. Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Bildung eines «Verwölbungs»-Momentes zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfmdungsgemäss dadurch gelöst, dass die Bälge über ein Zwischenstück mit dem Gleitring verbunden 25 sind, und dass ferner die Verbindungsstelle des Zwischenstückes mit dem Gleitring mindestens annähernd im Flächenschwerpunkt der radialen Querschnittsflächen des Gleitringes angeordnet ist.

Der Verwendung eines Zwischenstückes, das - weil es mit den Bälgen verschweisst wird - vorzugsweise ebenfalls aus Stahl 30 besteht, ermöglicht es, die Verbindung zwischen dem eigentlichen Gleitring und den Bälgen, an der bei thermischen Belastungen die Kraftwirkung der unterschiedlichen Wärmedehnungen auftreten, mittels einer Nut in den Flächenschwerpunkt des Gleitringes zu verlegen. Dadurch wird die Entstehung von Verwölbungs-35 Momenten verhindert. Der Gleitring verformt sich bei Krafteinwirkungen somit nur rein radial und/oder axial, so dass die Gleitfläche eben bleibt.

Eine erste vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die Verbindung von Gleitring und Zwischenstück 40 durch radial vorgespannte O-Ringe erfolgt; dabei können die Querschnittsflächen der Gleitringausnehmung für die Aufnahme des Zwischenstückes und des Zwischenraumes zwischen den Bälgen vorteilhafterweise etwa gleich gross sein, wodurch sich die axialen Kräfte auf das Zwischenstück nahezu aufheben. Zusätzlich 45 ist es möglich, das Zwischenstück gegen axiale Verschiebungen in dem Gleitring zu sichern, wofür das Zwischenstück beispielsweise einen nach aussen gerichteten Ansatz aufweist, der im «normalen» Gleichgewichtszustand der Dichtung berührungsfrei in einen entsprechenden Schlitz des Gleitringes hineinragt.

so Eine andere Möglichkeit für eine Axialsicherung ist gegeben, wenn die auf einer Seite in Rechtecknuten gelagerten 0-Ringe auf der Gegenseite in Ausnehmungen, beispielsweise winkelförmige Nuten, eingepresst sind.

Eine weitere, zweckmässige Ausführungsform der Erfindung 55 ergibt sich, wenn die axiale Querschnittsfläche zwischen den Bälgen grösser ist als diejenige des Zwischenstückes, und wenn an der inneren Stirnseite des Zwischenstückes eine axiale Doppelsitzdichtung vorhanden ist; durch die Vergrösserung der Fläche des Balg-Zwischenraumes relativ zur Fläche der Nut im Gleitring 60 tritt eine Axialkraft auf, die die Doppelsitzdichtung in axialer Richtung gegen den Boden der Gleitringnut drückt.

Eine andere, vorteilhafte Ausfuhrungsform für die Wellendichtung ergibt sich, wenn das hohlzylindrische Zwischenstück dünne, elastische Schenkel aufweist, die unter axialer Vorspan-65 nung und Innendruck in der Mitte der radialen Querschnittsflächen des Gleitringes gegen metallische Dichtflächen gedrückt sind, und wenn ferner eine axiale Fixierung des Zwischenstückes durch Radialstifte erfolgt.

3

668813

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausfuhrungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

Die Fîg. 1 bis 4 zeigen in Schnitten längs einer die Wellenachse enthaltenden Ebene vier verschiedene Ausfuhrungsformen der neuen Wellendichtung, wobei jeweils nur eine Hälfte der zur Wellenachse rotationssymmetrischen Anordnung dargestellt ist.

Die Welle 1, die in nicht dargestellten Lagern in einem festen Gehäuse 2 gelagert ist, trägt einen mitrotierenden Wellenbund 3. Die mit der Wellen-Durchtrittsöffnung 4 durch die feststehende Wand 5 des Gehäuses 2 in Verbindung stehende «Aussenseite» 10 ist gegen den Maschineninnenraum 11 mit Hilfe einer gasgesperrten Wellendichtung abgedichtet. Zu diesem Zweck wirken der Wellenbund 3 und ein nicht rotierender, jedoch axial beweglicher Gleitring 6 zusammen, der dem Bund 3 gegenübersteht und vorzugsweise wegen der Wärmeleitfähigkeit aus einer Leichtmetall-Legierung - zum Beispiel aus AI Mg 3 - gefertigt ist. Etwa in der Mitte der Gleitfläche 7 des Ringes 6 ist eine Nut 8 vorgesehen, der aus einer nicht gezeigten Druckgasquelle durch den Ring 6 hindurch von der Rückseite her Sperrgas zugeführt werden kann. Der erhöhte Druck des Sperrgases hebt zur Erzeugung eines Dichtspaltes 9 den axial beweglichen Gleitring 6 vom Wellenbund 3 ab, so dass die Dichtung berührungsfrei arbeitet. Wie durch Pfeile angedeutet, fliesst das Sperrgas von der Nut 8 nach beiden Seiten zur Aussenseite 10 bzw. in den Innenraum 11 ab.

Die Sperrgaszufuhr zum Gleitring 6 erfolgt zwischen zwei zur Wellenachse konzentrischen Bälge 12, die zum einen über ringförmige Vorsprünge 13, zwischen denen das Sperrgas durch das Gehäuse 2 leitende Bohrungen 15 enden, an der Wand 5 des Gehäuses 2 und zum anderen an einem Zwischenstück 14 gasdicht befestigt, zum Beispiel mit beiden Elementen verschweisst, sind.

In den Gleitring 6 ist von der Rückseite her eine zylinderische Eindrehung 16 eingearbeitet, in die mit seitlichem Spiel das mit den Bälgen 12 verbundene Zwischenstück 14 eingesetzt ist; in diesem sind über den Umfang verteilt Längsbohrungen 35 für die Sperrgasströmung vorgesehen.

Erfingungsgemäss sind das Zwischenstück 14 und der Gleitring 6 mindestens nahezu in der Mitte der radialen Querschnittsflächen des Ringes 6 miteinander verbunden.

Diese Verbindung erfolgt in den Fig. 1 und 2 über O-Ringe 17, die in der genannten Hächenmitte das Zwischenstück 14 mit dem Gleitring 6 verbinden und dort sowohl abdichten als auch Wärmedehnungsdifferenzen elastisch überbrücken. Um ein Auswandern der Verbindungsstelle aus der Hächenmitte zu verhindern, sind annährend gleiche druckbeaufschlagte Hächen 18 und 19 zu beiden Seiten des Zwischenstückes 14 vorgesehen, womit in axialer Richtung ein annähernder Ausgleich der Kräfte angestrebt 5 wird. Zusätzlich ist als Sicherung gegen axiale Verschiebungen in Hg. 1 das Zwischenstück 14 mit einem radialen Ansatz 20 versehen; dieser ragt in eine Ausnehmung 21 im Gleitring 6, die von einer Abdeckung 22 verschlossen ist. Im «normalen» Betriebszustand «schwimmt» der Ansatz 20 dabei berührungsfrei in der i o Ausnehmung 21.

Die Sicherung 20 bis 22 kann entfallen, wenn die 0-Ringe 17, die im Zwischenstück 14 in Rechtecknuten 24 gelagert sind, auf der Gleitringseite in eine kleine - zum Beispiel V-förmige - Nut 25 hineindrücken (Hg. 2). Dabei sollte, wie bei dem ersten Aus-15 führungsbeispiel nach Hg. 1, sichergestellt sein, dass durch annähernd gleiche Druckflächen 18 und 19 nur relativ geringe Axialkräfte auf das Zwischenstück einwirken.

Wenn die Balgen-Zwischenraumfläche 19 ins Gewicht fallend grösser ist als die Gleitringnutfläche 18 (Fig. 3), ergibt sich durch 20 die HächendifFerenz 26 eine Axialkraft; diese kann auf einen axialen metallischen Sitz 27 drücken, wodurch zwischen dem Gleitring 6 und dem Zwischenstück 14 eine axiale Doppelsitzdichtung entsteht. Dadurch werden 0-Ringe entbehrlich; es besteht jedoch unter Umständen die Gefahr einer erhöhten Sperrgas-Leckage. 25 Das radiale Spiel 28 an der Verbindungsstelle von Ring 6 und Zwischenstück 14 wird bei dieser Ausführungsform so gewählt, dass es der Relativdehnung bei Betriebstemperatur entspricht, wodurch grössere Radialkräfte verhindert werden.

Bei Druckabfall des Sperrgases hebt der Gleitring 6 bei allen 30 dargestellten vertikalen und unter dem Wellenbund liegenden Anordnungen infolge seines Eigengewichtes vom Wellenbund 3 ab. Bei einer umgekehrten und gegebenenfalls bei horizontaler Einbaulage muss dieses Abheben durch Zugfedern 29 zwischen dem Gleitring 6 und der Gehäusewand 5 sichergestellt werden. 35 Bei dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 4 ist das Zwischenstück 14 von «oben» her so geschlitzt, dass eine Gabel mit zwei dünnen elastischen Schenkeln 30 entsteht, die in der Hächenmitte des Gleitringes 6 einerseits aufgrund einer Vorspannung und andererseits durch den Innendruck gegen Dichtflächen 31 an den 40 peripheren Wänden der Gleitringeindrehung 16 gepresst werden. Eine axiale Fixierung erfolgt durch über dem Umfang der Eindrehung 16 bzw. des Gleitringes 6 verteilte Radialstifte 32.

G

2 Blatt Zeichnungen

Claims

668813 PATENTANSPRÜCHE

1. Gasgesperrte axiale Wellendichtung, insbesondere für Turbo-Verdichtung und andere Turbomaschinen, bestehend aus einem mit der Welle rotierenden Wellenbund und einem nicht umlaufenden, axial beweglichen Gleitring mit einer Sperrgasein-speisung in die Gleitfläche, wobei der Gleitring über zwei konzentrische Bälge mit einer feststehenden Wand in Verbindung steht und die Sperrgaszuführung zwischen den Bälgen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bälge (12) über ein Zwischenstück (14) mit dem Gleitring (6) verbunden sind und dass ferner die Verbindungsstelle des Zwischenstückes (14) mit dem Gleitring (6) mindestens annähernd im Flächenschwerpunkt der radialen Querschnittsfläche des Gleitringes (6) angeordnet ist.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Gleitring (6) und Zwischenstück (14) durch radial vorgespannte O-Ringe (17) erfolgt.

3. Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Gleitringausnehmung (16) für die Aufnahme des Zwischenstückes (14) und des Zwischenraumes zwischen den Bälgen (12) etwa gleich gross sind.

4. Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (14) gegen axiale Verschiebungen in dem Gleitring (6) gesichert ist.

5. Wellendichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einer Seite in Rechtecknuten (24) gelagerten O-Ringe (17) auf der Gegenseite in Ausnehmungen (25) eingepresst sind.

6. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Querschnittsfläche zwischen den Bälgen (12) grösser ist als diejenige des Zwischenstücks (14) und dass an der inneren Stirnseite des Zwischenstückes (14) eine axiale Doppelsitzdichtung (27) vorhanden ist.

7. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hohlzylindrische Zwischenstück (14) dünne, elastische Schenkel (30) aufweist, die unter axialer Vorspannung und Innendruck in der Mitte der radialen Querschnittsflächen des Gleitringes (6) gegen metallische Dichtflächen (31) gedrückt sind, und dass ferner eine axiale Fixierung des Zwischenstückes (14) durch Radialstifte (32) erfolgt.