CH680606A5 - - Google Patents
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Description
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CH 680 606 A5 CH 680 606 A5
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Beschreibung description
Die Erfindung betrifft eine als axiale Gleitringdichtung ausgebildete Trockengasdichtung für eine drehende, durch eine Gehäusewand geführte Welle mit einer mit der Welle umlaufenden Wellenbüchse als Träger einer Dichtfläche und einem stationären Gleitring mit einer mittels eines Gases an die Dichtfläche gedrückten und geschmierten Gleitfläche. The invention relates to a dry gas seal designed as an axial mechanical seal for a rotating shaft guided through a housing wall with a shaft sleeve rotating with the shaft as a carrier for a sealing surface and a stationary sliding ring with a sliding surface pressed and lubricated by a gas against the sealing surface.
Solche axiale Wellendichtungen sind beispielsweise aus EP-B 13 678 bekannt und dienen dazu, den unter einem gewissen Druck stehenden Gehäuse-Innenraum einer Turbomaschine, beispielsweise eines Turbokompressors oder einer Turbine, an der Durchführung der Welle nach aussen oder zu einer Zwischenkammer abzudichten, um ein Ausströmen des Mediums aus dem Innenraum zu verhindern. Dies erfolgt mittels eines Sperrmediums, z.B. eines Gases, welches die Gleitfläche des Gleitringes an die Dichtfläche drückt und somit den Austritt von Gas aus dem Innenraum minimalisiert, wobei die Leckage der Dichtung durch entsprechende Dichtungsringe auf einem kleinstmöglichen Wert gehalten wird. Gleichzeitig wird ein Spalt zum berührungslosen Lauf der Dichtung gebildet. Such axial shaft seals are known, for example, from EP-B 13 678 and are used to seal the interior of a turbomachine, for example a turbocompressor or a turbine, which is under a certain pressure, on the passage of the shaft to the outside or to an intermediate chamber in order to seal it To prevent the medium from flowing out of the interior. This is done using a locking medium, e.g. of a gas which presses the sliding surface of the sliding ring against the sealing surface and thus minimizes the escape of gas from the interior, the leakage of the seal being kept to a minimum by appropriate sealing rings. At the same time, a gap is formed for the seal to run without contact.
Nachteilig ist hierbei, insbesondere bei Turbomaschinen, die mit höheren Gastemperaturen bis zu mehreren hundert °C arbeiten, dass an der Wellendurchführung grosse Temperaturerhöhungen und Temperaturschwankungen auftreten, welche Wärmeausdehnungen der einzelnen Teile zur Folge haben. Diese führen zu unzulässigen Deformationen, die die Dichtwirkung beeinträchtigen. Ausserdem kann bei grösseren Temperaturerhöhungen und einer dadurch verursachten Ausdehnung der Welle die Wellenbüchse und der meist aus Keramik bestehende Dichtungskörper derartige mechanische Spannungen erleiden, dass dieser zerbricht und zerstört wird und eine Havarie der Turbomaschine verursacht wird. Hinzu kommen, insbesondere bei schnellaufenden Turbomaschinen, die teilweise erheblichen Zentrifugalkräfte, welche ebenfalls Deformationen verursachen. Diese führen dazu, dass bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten z.B. die Wellenbüchse mit dem Dichtkörper von der Welle abheben kann, d.h. keine definierte Position und Zentrierung mehr vorhanden ist. Dieses führt zu Unwucht und zu unzulässigen Veränderungen des Dichtspaltes. Die unterschiedliche Dehnung von Wellenbüchse und Dichtkörper unter Einwirkung von Fliehkräften führt auch hier zu erhöhten mechanischen Spannungen am Dichtkörper und zur Havariegefahr. Die zulässigen Temperaturen und deren Schwankungen sowie die Drehzahl waren daher bei bekannten gasgesperrten axialen Wellendichtungen begrenzt. The disadvantage here, particularly in turbomachinery that work with higher gas temperatures of up to several hundred ° C., is that large temperature increases and temperature fluctuations occur at the shaft leadthrough, which result in thermal expansion of the individual parts. These lead to impermissible deformations that impair the sealing effect. In addition, with larger temperature increases and the resulting expansion of the shaft, the shaft bushing and the sealing body, which is usually made of ceramic, can suffer such mechanical stresses that it breaks and is destroyed, and an accident occurs in the turbomachine. In addition, especially in the case of high-speed turbomachinery, there are sometimes considerable centrifugal forces, which also cause deformations. This means that at higher peripheral speeds e.g. the shaft sleeve with the sealing body can lift off the shaft, i.e. there is no longer a defined position and centering. This leads to imbalance and inadmissible changes in the sealing gap. The different expansion of the shaft bushing and sealing body under the influence of centrifugal forces also leads to increased mechanical stresses on the sealing body and the risk of damage. The permissible temperatures and their fluctuations as well as the speed were therefore limited in the case of known gas-blocked axial shaft seals.
Die Erfindung betrifft die Aufgabe, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere eine axiale Wellendichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine exakte Abdichtung der Welle ohne die Gefahr einer Havarie bei allen vorgesehenen Temperaturen und bei Temperaturschwankungen sowie bei erhöhten Umfangsgeschwindigkeiten und Drehzahlen erreicht wird. The invention relates to the object to eliminate the disadvantages of the prior art and in particular to further develop an axial shaft seal of the type mentioned in such a way that an exact sealing of the shaft without the risk of an accident at all temperatures and temperature fluctuations as well as at increased peripheral speeds and Speeds is reached.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Wellenbüchse die Welle mit Radialspiel umgibt und mit der Welle durch eine formschlüssige Zentrierverbindung verbunden ist, die bei einer radialen Ausdehnung der Welle gegenüber der Wellenbüchse elastisch federnd ist, jedoch eine Ausdehnung der Wellenbüchse im Bereich der Dichtflächen gegenüber der Welle verhindert. According to the invention, this object is achieved in that the shaft sleeve surrounds the shaft with radial play and is connected to the shaft by a form-fitting centering connection which is elastically resilient when the shaft extends radially with respect to the shaft sleeve, but with an expansion of the shaft sleeve in the area of the sealing surfaces the wave prevented.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, eine solche elastisch federnde Verbindung zwischen der Wellenbüchse und der Welle dadurch herzustellen, dass die Welle einen deren Aussenfläche in Abstand umgebenden zylinderringförmigen Steg aufweist, welcher in eine zylinderringförmige Nut der Wellenbüchse eingreift, wobei der Aussenrand der Nut elastisch federnd ausgebildet ist, während der Innenrand starr ausgebildet ist. Bei einer Temperaturerhöhung und einer daraus resultierenden Aufweitung der Welle und einer Verschiebung des Steges in Radialrichtung wird der Aussenrand der Nut elastisch verformt und sorgt für einen festen formschlüssigen Zentriersitz der Wellenbüchse auf der Welle. Die Wellenbüchse selbst wird dabei nicht deformiert und zudem automatisch so zentriert, dass die Position der Dichtflächen nicht beeinflusst wird. Eine Aufweitung der Nut der Wellenbüchse bei erhöhter Drehzahl infolge der Zentrifugalkraft wird verhindert durch den Formschluss zwischen dem starren Innenrand der Nut und dem starren Steg der Welle. Die Funktion der Dichtung wird damit praktisch unabhängig von der Betriebstemperatur der Turbomas'chine und auch von der Wellendrehzahl oder Umfangsgeschwindigkeit. Diese elastisch federnde Zentrierverbindung garantiert in jedem Fall, unabhängig von der Temperatur, der Umfangsgeschwindigkeit und den Materialien der verschiedenen den Dichtspalt beeinflussenden Teile, einen festen Zentriersitz der Wellenbüchse auf der Welle, d.h. dass für die Welle und die Wellenbüchse Materialien mit unterschiedlicher Wärmedehnung verwendet werden können. Dies erlaubt es insbesondere z.B. auch, die Wärmedehnung der Wellenbüchse an diejenige des Dichtungskörpers anzupassen, so dass die Abdichtung weiter verbessert und die Zerstörungsgefahr weiter vermindert wird. It is particularly advantageous to produce such an elastically resilient connection between the shaft bushing and the shaft in that the shaft has a cylindrical ring-shaped web surrounding the outer surface thereof, which engages in a cylindrical ring-shaped groove of the shaft bushing, the outer edge of the groove being designed to be elastically resilient is, while the inner edge is rigid. When the temperature rises and the resulting expansion of the shaft and a displacement of the web in the radial direction, the outer edge of the groove is elastically deformed and ensures a firm, form-fitting centering fit of the shaft sleeve on the shaft. The shaft sleeve itself is not deformed and is also automatically centered so that the position of the sealing surfaces is not affected. A widening of the groove of the shaft sleeve at increased speed due to the centrifugal force is prevented by the positive connection between the rigid inner edge of the groove and the rigid web of the shaft. The function of the seal is practically independent of the operating temperature of the turbo machine and also of the shaft speed or peripheral speed. This resilient centering connection guarantees in any case, regardless of the temperature, the peripheral speed and the materials of the various parts influencing the sealing gap, a firm centering fit of the shaft sleeve on the shaft, i.e. that materials with different thermal expansion can be used for the shaft and the shaft sleeve. This allows e.g. also to adapt the thermal expansion of the shaft sleeve to that of the sealing body, so that the seal is further improved and the risk of destruction is further reduced.
Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert. Diese zeigt in einem Schnitt längs der Wellenachse ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsge-mässen Wellendichtung. The invention is illustrated by the figure. This shows in a section along the shaft axis an embodiment of a shaft seal according to the invention.
Bei dem in der Figur dargestellten Beispiel ist eine Welle 1 dichtend durch die Gehäusewand 2 beispielsweise einer Turbomaschine von einer Stelle höheren Druckes Pi zu einer Stelle tiefern Druckes Pa geführt. Die Dichtung weist eine auf die Welle 1 aufgesetzte Wellenbüchse 3 auf, welche die Welle 1 mit einem Radialspiel 4 umgibt, so dass Durchmesserschwankungen bei einer Erwärmung der Welle 1 im Betrieb ohne Deformation der Büchse aufgefangen werden können. An der Aussenseite 1" der Welle 1 liegt das hülsenförmige Ende 3" der Wellen5 In the example shown in the figure, a shaft 1 is sealingly guided through the housing wall 2, for example of a turbomachine, from a point higher pressure Pi to a point lower pressure Pa. The seal has a shaft sleeve 3 placed on the shaft 1, which surrounds the shaft 1 with a radial clearance 4, so that fluctuations in diameter when the shaft 1 is heated during operation can be absorbed without deformation of the sleeve. On the outside 1 "of the shaft 1 is the sleeve-shaped end 3" of the shaft 5
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büchse dagegen auf der Welle elastisch federnd auf, so dass auch hier Deformationen der Welle ohne Beeinflussung des Dichtspaltes aufgefangen werden können. Vorzugsweise besteht die Wellenbüchse aus einem Metall mit einem im Vergleich zu dem der Welle 1 geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z.B. aus einem hoch nickellegierten Stahl, wie er z.B. unter dem Namen Invar bekannt ist. Die Wellenbüchse 3 trägt auf ihrer Aus-senseite einen Dichtkörper 5, welcher auf seiner Aussenseite eine kreisringförmige Dichtfläche 6 bildet. Vorzugsweise ist dieser Dichtkörper aus einem Hartmetall ausgeführt, welches einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie die Wellenbüchse 3, beispielsweise aus Siliziumkarbid. Jedoch ist auch Wolframkarbid oder ein anderes Material mit ähnlichen Gleiteigenschaften geeignet. In contrast, the sleeve resiliently resiliently on the shaft, so that here, too, deformations of the shaft can be absorbed without influencing the sealing gap. The shaft sleeve is preferably made of a metal with a lower coefficient of thermal expansion than the shaft 1, e.g. made of a high nickel alloy steel, e.g. is known under the name Invar. The shaft sleeve 3 carries a sealing body 5 on its outer side, which forms an annular sealing surface 6 on its outer side. This sealing body is preferably made of a hard metal, which has a similar thermal expansion coefficient as the shaft sleeve 3, for example made of silicon carbide. However, tungsten carbide or another material with similar sliding properties is also suitable.
Weiterhin weist die Dichtung einen in dem in das Gehäuse 2 eingeführten Dichtungshalter 2' stationären, d.h. nicht-rotierenden, aber axial etwas verschiebbaren Gleitring 7 auf, welcher an seiner Innenseite 7' gegenüber einem Ansatz 8 des Dichtungshalters zentriert ist. Vorzugsweise besteht der Gleitring 7 und der Dichtungshalter ebenfalls aus einem Metall geringer thermischer Ausdehnungsfähigkeit, beispielsweise ebenfalls aus einem hoch nickellegierten Stahl, wie er z.B. unter dem Namen Invar bekannt ist. An der nach innen gekehrten Seite trägt der Gleitring einen Gleitkörper 9 mit einer der Dichtfläche 6 zugekehrten Gleitfläche 9' aus einem Material guter Gleiteigenschaft, beispielsweise einem kohlekeramischen Werkstoff, dem zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit metallische Zusätze beigefügt sein können. Furthermore, the seal has a stationary, i.e., in the seal holder 2 'inserted into the housing 2. non-rotating, but axially somewhat displaceable slide ring 7, which is centered on its inside 7 'with respect to an extension 8 of the seal holder. Preferably, the slide ring 7 and the seal holder are also made of a metal with low thermal expansion capacity, for example also made of a highly nickel-alloyed steel, as is e.g. is known under the name Invar. On the inward-facing side, the slide ring carries a slide body 9 with a slide surface 9 'facing the sealing surface 6 and made of a material with good sliding properties, for example a carbon-ceramic material, to which metallic additives can be added to improve the thermal conductivity.
Über eine Leitung 10 wird der Wellendichtung vom Gehäuse 2 aus ein Gas mit einem Druck Ps zugeführt, welcher ein wenig höher sein kann als der abzudichtende Druck Pi der Turbomaschine. Dabei kann das Gas der Turbomaschine selbst entnommen oder als externes Fremdgas zugeführt werden. Durch einen Spalt 11 gelangt das Gas auf die Rückseite 7" des Gleitringes 7 und drückt diesen an die Wellenbüchse 3, so dass der rotierende Dichtkörper 5 mit seiner Dichtfläche 6 auf der Gleitfläche 9' des stationären Gleitkörpers 9 aufliegt und ein Austritt des Gases aus dem Gehäuseinneren weitgehend verhindert wird. Die trotzdem noch austretende geringe Menge von Gas wird über eine Leitung 13 abgeführt. Die Schmierung der Gleitflächen kann dabei in bekannter Art erfolgen, z.B. aerodynamisch über Taschen oder Rillen in der Gleitfläche oder Dichtfläche oder aerostatisch mit Gaszuführung durch den Gleitkörper hindurch zur Gleitfläche. A gas with a pressure Ps is supplied to the shaft seal from the housing 2 via a line 10, which can be a little higher than the pressure Pi of the turbomachine to be sealed. The gas can be taken from the turbomachine itself or supplied as an external foreign gas. The gas passes through a gap 11 onto the rear side 7 ″ of the slide ring 7 and presses it against the shaft bushing 3, so that the rotating sealing body 5 rests with its sealing surface 6 on the sliding surface 9 ′ of the stationary sliding body 9 and the gas emerges from the The small amount of gas still escaping is discharged via a line 13. The lubrication of the sliding surfaces can take place in a known manner, for example aerodynamically via pockets or grooves in the sliding surface or sealing surface or aerostatically with gas supply through the sliding body to the sliding surface.
Ausserhalb der beschriebenen Dichtung ist zur Erzielung einer noch besseren Dichtwirkung oder als Notdichtung im Störungsfall eine zweite ähnlich aufgebaute Gleitringdichtung 14 vorgesehen, auf die jedoch gegebenenfalls auch verzichtet werden kann. Outside of the seal described, a second similar mechanical seal 14 is provided to achieve an even better sealing effect or as an emergency seal in the event of a fault, but this can also be dispensed with if necessary.
Bei einer solchen Wellendurchführung, bei der die Welle 1 und die Wellenbüchse 3 stark verschiedene Temperaturen haben können, stellt sich im Betrieb der Turbomaschine das Problem, dass sich bei erhöhter Temperatur der Aussendurchmesser der Welle 1 stärker aufweitet als der Innendurchmesser der Wellenbüchse. Umgekehrt neigt bei höherer Drehzahl die Wellenbüchse zu einer stärkeren Aufweitung als die Welle. Um solche Durchmesserschwankungen der Welle 1 und der Wellenbüchse 3 aufzufangen, ist die Wellenbüchse 3 mit der Welle 1 mittels einer elastisch federnden Verbindung verbunden, welche die auftretenden radialen Differenzdehnungen an der Verbindungsstelle zulässt, jedoch die für die Dichtwirkung wichtige Position der Wellenbüchse 3 und deren Abmessungen im Bereich der Dichtfläche nicht beeinflusst. With such a shaft bushing, in which the shaft 1 and the shaft sleeve 3 can have very different temperatures, the problem arises during operation of the turbomachine that the outer diameter of the shaft 1 widens more than the inner diameter of the shaft sleeve when the temperature is increased. Conversely, the shaft sleeve tends to expand more than the shaft at higher speeds. In order to absorb such fluctuations in the diameter of the shaft 1 and the shaft bushing 3, the shaft bushing 3 is connected to the shaft 1 by means of an elastically resilient connection which allows the radial differential expansions occurring at the connection point, but the position of the shaft bushing 3 and its dimensions which are important for the sealing effect not affected in the area of the sealing surface.
Dazu trägt die Welle 1 im inneren Bereich 1' einen zylinderringförmigen, die Welle mit einem ringförmigen Zwischenraum 15' umgebenden Steg 15. Andererseits ist das entsprechende Ende 3' der Wellenbüchse 3 mit einer zylinderringförmigen Nut 16 versehen, welche so dimensioniert ist, dass der an die Welle 1 angeformte Steg 15 in diese Nut eingreifen kann, so dass in kaltem Zustand ein formschlüssiger Zentriersitz gebildet wird. Zu diesem Zweck ist die Innenwand 16' dieser Nut mit einer solchen Wandstärke ausgeführt, dass die Wand relativ starr, also nicht deformierbar ist. Gegenüber dem Steg 15 ist die Aussenseite der Innenwand 16' mit einer O-ringförmigen Dichtung 16" abgedichtet, welche gewissen Durchmesseränderungen des Steges 15 zu folgen vermag. Die Innenfläche der Innenwand 16' besitzt, wie die gesamte Wellenbüchse 3, gegenüber der Welle ein Radialspiel 4, welches eine genügende Durchmesservergrösserung der Welle bei Erwärmung ohne Kontakt zulässt. Der Aussenrand 17 der Nut ist dagegen elastisch federnd ausgebildet und drückt mit seinem Innenkranz 17' auf den Steg 15 um einen sicheren Zentriersitz auch bei Temperaturerhöhung der Welle 1 zu gewährleisten. Bei einer Wärmeausdehnung der Welle 1 im Innenbereich 1', und damit auch bei einer Durchmesservergrösserung des Steges 15, wird der Aussenring 17 jedoch elastisch aufgeweitet. Die Wellenbüchse 3 bleibt zufolge dieser elastischen Verformbarkeit jedoch im Bereich der Dichtfläche in seiner Position und ist keinen Spannungen unterworfen. Eine Temperaturerhöhung der Welle 1 im Betrieb führt also nicht zu einer Deformation des Dichtspaltes und einer Beeinträchtigung der Funktion der Wellendichtung mit entsprechender Havariegefahr. Eine Aufweitung der Nut 16 der Wellenbüchse 3 wird andererseits durch den Formschluss zwischen dem starren Innenrand 16' der Nut und dem Steg 15 der Welle 1 verhindert, so dass auch hierbei die Wellenbüchse ihre Position und Zentrierung ohne Deformation des Dichtspaltes beibehält. For this purpose, the shaft 1 carries in the inner region 1 'a cylindrical ring-shaped web 15 surrounding the shaft with an annular space 15'. On the other hand, the corresponding end 3 'of the shaft sleeve 3 is provided with a cylindrical ring-shaped groove 16 which is dimensioned such that the the shaft 1 integrally formed web 15 can engage in this groove, so that a positive centering seat is formed in the cold state. For this purpose, the inner wall 16 'of this groove is designed with a wall thickness such that the wall is relatively rigid, that is to say it is not deformable. Compared to the web 15, the outside of the inner wall 16 'is sealed with an O-ring-shaped seal 16 ", which can follow certain changes in diameter of the web 15. The inner surface of the inner wall 16', like the entire shaft sleeve 3, has radial play with respect to the shaft 4, which allows a sufficient increase in the diameter of the shaft when heated without contact The outer edge 17 of the groove, on the other hand, is elastically resilient and presses with its inner ring 17 'onto the web 15 in order to ensure a secure centering fit even when the temperature of the shaft 1 rises Thermal expansion of the shaft 1 in the inner region 1 ', and thus also with an increase in the diameter of the web 15, causes the outer ring 17 to expand elastically, however, due to this elastic deformability, the shaft sleeve 3 remains in its position in the region of the sealing surface and is not subject to any stresses Temperature increase of shaft 1 in operation therefore does not lead to a deformation of the sealing gap and an impairment of the function of the shaft seal with a corresponding risk of accident. An expansion of the groove 16 of the shaft sleeve 3 is prevented on the other hand by the positive connection between the rigid inner edge 16 'of the groove and the web 15 of the shaft 1, so that the shaft sleeve maintains its position and centering without deformation of the sealing gap.
Die beschriebene Wellendurchführung ist also auch für Turbomaschinen mit hoher Temperatur geeignet, bei welchen im Betrieb erhebliche Temperaturschwankungen an der Wellendurchführung auftreten, wie auch für Turbomaschinen mit hohen Drehzahlen und Umfangsgeschwindigkeiten. Die beschriebene Wellendichtung erlaubt also eine erhöhte Betriebstemperatur der Turbomaschine, ohne aufwendige Kühlmassnahmen und gleichzeitig einen Betrieb mit erhöhter Drehzahl. The shaft bushing described is therefore also suitable for high-temperature turbomachines in which considerable temperature fluctuations occur in the shaft bushing during operation, as well as for turbomachines with high speeds and peripheral speeds. The shaft seal described thus permits an increased operating temperature of the turbomachine without complex cooling measures and, at the same time, operation at an increased speed.
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Entsprechendes gilt für die Zentrierverbindung von Wellenbüchse und Welle der äusseren Wellendichtung 14 auf der Seite mit tieferem Druck Pa, wo die Wellenbüchse so elastisch ausgebildet ist, dass eine Aufweitung der Welle infolge Temperatur keine Deformation auf die Wellenbüchse im Bereich der Dichtfläche überträgt. The same applies to the centering connection of the shaft sleeve and the shaft of the outer shaft seal 14 on the side with lower pressure Pa, where the shaft sleeve is so elastic that an expansion of the shaft due to temperature does not transmit any deformation to the shaft sleeve in the area of the sealing surface.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PUE | Assignment |
Owner name: SULZER-ESCHER WYSS AG TRANSFER- MAN TURBOMASCHINEN |
|
NV | New agent |
Representative=s name: BOVARD AG PATENTANWAELTE |
|
PL | Patent ceased |