CH680607A5

CH680607A5 -

Info

Publication number: CH680607A5
Application number: CH261289A
Authority: CH
Inventors: Heinrich Lorenzen
Original assignee: Escher Wyss Ag
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1989-07-12
Publication date: 1992-09-30
Also published as: DE3925404C2; DE3925404A1; JPH0656215B2; JPH0351583A

Description

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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 Gleitfläche, wobei auf der Dichtfläche und/oder Gleitfläche vom Aussen-rand geneigt zur Radialrichtung verlaufende Rillen zur Schmierung der Dichtfläche bzw. der Gleitfläche mittels Druckaufbau vorgesehen sind. 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 of a sealing surface and a stationary sliding ring with a sliding surface pressed against the sealing surface by means of a gas, whereby on the sealing surface and / or grooves from the outer edge inclined to the radial direction are provided for lubricating the sealing surface or the sliding surface by means of pressure build-up.

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 der Wellenbüchse drückt und somit den Austritt von Gas aus dem Innenraum minimali-siert, wobei die Leckage der Dichtung durch entsprechende Dichtungsringe auf einem kieinstmögli-chen Wert gehalten wird. Gleichzeitig wird ein Spalt zur berührungslosen Relativbewegung 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 of the shaft bushing and thus minimizes the escape of gas from the interior, the leakage of the seal being kept at a possible value by appropriate sealing rings. At the same time, a gap for non-contact relative movement is formed.

Bei der bekannten Wellendichtung werden die Vorteile aerodynamischer Dichtungen ausgenützt, bei denen das als Schmiermittel dienende Gas von aussen der Dichtfläche bzw. Gleitfläche über geneigte, z.B. schräge oder spiralförmige Rillen zugeführt wird, wodurch die Schmiermittel- bzw. Gasleckage wesentlich geringer ist als bei bekannten aerostatischen Dichtungen. Die geneigt zur Radialrichtung verlaufenden Rillen bewirken hierbei, dass das Schmiermittel bei Rotation der Welle mittels Pumpwirkung automatisch von aussen nach innen auf die Dicht- bzw. Gleitfläche derart verteilt wird, dass ein zweckmässiger Druckaufbau in radialer Richtung zustandekommt und dadurch eine reibungsarme Dichtung gebildet wird. Der Nachteil solcher Dichtungen ist, dass sie bei Bewegung in entgegengesetzter Richtung, beispielsweise bei einem Rücklauf der Turbomaschine, keine ausreichende Verteilung des Schmiermittels auf der Gleitfläche erlauben und daher verklemmen und festsitzen, oder gar zerstört werden können. In the known shaft seal, the advantages of aerodynamic seals are exploited, in which the gas serving as a lubricant from the outside of the sealing surface or sliding surface via inclined, e.g. oblique or spiral grooves is supplied, whereby the lubricant or gas leakage is significantly less than in known aerostatic seals. The grooves running at an angle to the radial direction cause the lubricant to be automatically distributed from outside to inside on the sealing or sliding surface when the shaft rotates by means of a pumping action in such a way that a suitable pressure build-up occurs in the radial direction and a low-friction seal is thereby formed. The disadvantage of such seals is that they do not allow a sufficient distribution of the lubricant on the sliding surface when moving in the opposite direction, for example when the turbomachine is reversing, and can therefore jam and stick, or even be destroyed.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, und insbesondere eine Trockengasdichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass ein Festklemmen und eine Havarie der Weliendichtung bei einem Lauf der Welle entgegengesetzt zur vorgesehenen Drehrichtung vermieden wird. The invention has for its object to eliminate the disadvantages of the prior art, and in particular to further develop a dry gas seal of the type mentioned at the outset in such a way that jamming and an accident of the shaft seal are avoided when the shaft runs counter to the intended direction of rotation.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Entlastungseinrichtung vorgesehen ist, welche bei einer Umkehr der Drehrichtung der Welle bzw. der Relativdrehung zwischen Dichtfläche und Gleitfläche eine Kraft entgegen der Anpressrichtung des Gleitringes an die Dichtfläche erzeugt. According to the invention, this object is achieved in that a relief device is provided which, when the direction of rotation of the shaft or the relative rotation between the sealing surface and the sliding surface is reversed, generates a force against the pressing direction of the sliding ring on the sealing surface.

Durch diese Entlastungseinrichtung wird bei Umkehr der Relativbewegung zwischen der Gleitfläche und der Dichtfläche eine solche Kraft entgegen der Anpressrichtung erzeugt, dass die Reibung auf ein ungefährliches Mass reduziert oder der Gieitring ganz von der Dichtfläche abgehoben wird. When the relative movement between the sliding surface and the sealing surface is reversed, this relief device generates such a force against the pressing direction that the friction is reduced to a non-dangerous level or the sliding ring is completely lifted off the sealing surface.

Mit besonderem Vorteil weist diese Entlastungseinrichtung eine am Aussenkranz des Gieit-ringes und der gegenüberliegenden Fläche des Dichtungshalters vorgesehene Schrägführung auf. Durch die Reibung zwischen Dichtfläche und Gleitfläche wird ein Drehmoment auf den Gleitring ausgeübt, welches in der vorgesehenen Drehrichtung eine vorzugsweise in Umfangsrichtung gerichtete Kraft auf den Gleitring bewirkt, bei der entgegengesetzten Drehrichtung jedoch zusätzlich eine Kraftkomponente entgegen der Anpressrichtung des Gleitringes an die Wellenbüchse. Mit Vorteil weist eine solche Schrägführung eine oder mehrere über den Umfang verteilte, gegen die Drehachse geneigte Verschiebeflächen auf, die mit einem Gegenelement im anderen Teil zusammenwirken. This relief device particularly advantageously has an inclined guide provided on the outer ring of the sliding ring and on the opposite surface of the seal holder. Due to the friction between the sealing surface and the sliding surface, a torque is exerted on the sliding ring, which in the intended direction of rotation causes a force, which is preferably directed in the circumferential direction, on the sliding ring, but in the opposite direction of rotation additionally a force component against the pressing direction of the sliding ring on the shaft sleeve. Such an inclined guide advantageously has one or more displacement surfaces distributed over the circumference and inclined against the axis of rotation, which interact with a counter element in the other part.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: The invention is illustrated by the figures. Show it:

Fig. 1 eine Wellendichtung im Schnitt längs der Wellenachse, 1 is a shaft seal in section along the shaft axis,

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Dichtfläche bzw. eine Gleitfläche, 2 is a plan view of a sealing surface or a sliding surface,

Fig. 3a und b Aufsichten auf den Kranz eines Gleitringes bei vorschriftsgemässer Rotationsrichtung und bei Rotation in Gegenrichtung, und 3a and b are top views of the ring of a slide ring in the correct direction of rotation and in rotation in the opposite direction, and

Fig. 4 eine Aufsicht auf den Kranz bei einem anderen Ausführungsbeispiel. Fig. 4 is a plan view of the wreath in another embodiment.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist eine Welle 1 dichtend durch die Gehäusewand 2 beispielsweise einer Turbomaschine von einer Stelle höheren Druckes Pi zu einer Stelle tieferen Druckes Pa geführt. Die Dichtung weist eine auf die Welle 1 aufgesetzte Wellenbüchse 3 auf, welche die Welle 1 mit einem Radialspalt 4 umgibt, während ihr hülsenförmiges Ende 3' an der Aussenseite auf der Welle 1 elastisch federnd aufliegt. Die Wellenbüchse 3 trägt auf ihrer Aussenseite einen Dichtkörper 5, welcher auf seiner Aussenseite eine kreisringförmige Dichtfläche 6 bildet. In the example shown in FIG. 1, 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 bushing 3 placed on the shaft 1, which surrounds the shaft 1 with a radial gap 4, while its sleeve-shaped end 3 'rests on the outside on the shaft 1 in an elastically resilient manner. The shaft sleeve 3 carries on its outside a sealing body 5 which forms an annular sealing surface 6 on its outside.

Weiterhin weist die Dichtung einen in dem in das Gehäuse 2 eingeführten Dichtungshalter 2' stationären, d.h. nicht-rotierenden, aber axial und in Umfangsrichtung mit einem kleinen Spiel verschiebbaren Gleitring 7 auf, welcher an seiner Innenseite 7' gegenüber einem Ansatz 8 des Dichtungshalters zentriert ist. An der nach innen gekehrten Seite trägt der Gleitring 7 einen Gleitkörper 9 aus einem Material guter Gleiteigenschaft mit einer der Dichtfläche 6 zugekehrten Gleitfläche 9'. Furthermore, the seal has a stationary, i.e., in the seal holder 2 'inserted into the housing 2. non-rotating, but axially and in the circumferential direction with a small game movable sliding ring 7, which is centered on its inside 7 'with respect to an extension 8 of the seal holder. On the side facing inwards, the sliding ring 7 carries a sliding body 9 made of a material with good sliding properties, with a sliding surface 9 ′ facing the sealing surface 6.

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. Das Gas drückt auf die Rückseite des Gleitringes 7 und 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 presses on the back of the slide ring 7 and

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drückt diese an die Wellenbüchse 3, so dass die 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. presses it against the shaft bushing 3 so that the sealing surface 6 rests on the sliding surface 9 'of the stationary sliding body 9 and largely prevents the gas from escaping from the interior of the housing. The small amount of gas still escaping is discharged via a line 13.

Ausserhalb der beschriebenen Dichtung ist zur Erzielung einer noch besseren Dichtwirkung oder als Notdichtung eine zweite ähnlich aufgebaute Gleitringdichtung 14 vorgesehen, auf die jedoch gegebenenfalls auch verzichtet werden kann. Outside of the seal described, a second mechanical seal 14 of a similar design is provided to achieve an even better sealing effect or as an emergency seal, but this can also be dispensed with if necessary.

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind auf der Dichtfläche 6 oder auf der Gleitfläche 9' vom äusseren Rand 17 ausgehende, z.B. spiralförmige Rillen 18 vorgesehen. Diese Rillen 18 verlaufen geneigt zur Radialrichtung R, wodurch bewirkt wird, dass in der vorgesehenen richtigen Drehrichtung das Gas mittels Pumpwirkung von aussen in die Rillen hineingefördert und durch den Druckaufbau eine hinreichende Gasschmierung der Dichtfläche und der Gleitfläche gewährleistet wird. As shown in Fig. 2, on the sealing surface 6 or on the sliding surface 9 'starting from the outer edge 17, e.g. spiral grooves 18 are provided. These grooves 18 are inclined to the radial direction R, which has the effect that the gas is pumped into the grooves from the outside in the correct direction of rotation provided, and sufficient gas lubrication of the sealing surface and the sliding surface is ensured by the pressure build-up.

Bei umgekehrter Drehrichtung wird der Druckaufbau im Spalt so ungenügend, dass es zum Kontakt zwischen Dichtfläche und Gleitfläche kommt, so dass keine ausreichende Schmierung vorhanden ist und die Gefahr des Festfressens oder Festsitzens der Dichtung besteht, was zur Zerstörung der Dichtung und zur Havarie führen kann. Um dies zu verhindern, ist als Rücklaufsicherung eine Entlastungseinrichtung 19 am Aussenkranz 11 des Gleitringes 7, bzw. der Gegenfläche 20 des Dichtungshalters vorgesehen. Diese bewirkt, dass bei einer Umkehr der Drehrichtung automatisch eine Gegenkraft auf den Gleitring 7 ausgeübt wird, welcher die Gleitfläche 9' von der Dichtfläche 6 entlastet oder ganz zurückzieht. When the direction of rotation is reversed, the pressure build-up in the gap becomes so insufficient that there is contact between the sealing surface and the sliding surface, so that there is insufficient lubrication and there is a risk of the seal seizing or seizing, which can lead to destruction of the seal and damage. In order to prevent this, a relief device 19 is provided on the outer rim 11 of the slide ring 7 or the counter surface 20 of the seal holder as a backflow protection. This has the effect that, when the direction of rotation is reversed, a counterforce is automatically exerted on the sliding ring 7, which relieves the sliding surface 9 'of the sealing surface 6 or withdraws it entirely.

Diese Entlastungseinrichtung 19 kann aus Keilen 21 am Aussenkranz 11 des Gleitringes 7 bestehen, mit weichen ebenfalls keilförmige Vorsprünge 22 an der Innenfläche 20 des Dichtungshalters 2' zusammenwirken. Diese Keile 21 bzw. Vorsprünge 22 weisen jeweils an einer Seite eine geneigt zur Achsenrichtung A verlaufende Verschiebefläche 21' bzw. 22' auf, und an der anderen Seite in Achsenrichtung verlaufende Anschlagflächen 21" bzw. 22". This relief device 19 can consist of wedges 21 on the outer rim 11 of the slide ring 7, with soft, also wedge-shaped projections 22 on the inner surface 20 of the seal holder 2 'cooperating. These wedges 21 or projections 22 each have on one side a sliding surface 21 'or 22' which is inclined to the axis direction A, and on the other side stop surfaces 21 '' or 22 '' which run in the axis direction.

Fig. 3a zeigt die Entlastungseinrichtung im normalen Betrieb, d.h. bei der vorgesehenen Drehrichtung der Welle 1. Da der Gleitring 7 von der Dichtfläche 6 mittels Reibung mitgenommen wird, liegen hierbei die Anschlagflächen 21" und 22" aneinander. Da diese Flächen in Achsenrichtung orientiert sind, tritt im wesentlichen lediglich eine Kraft in Um-fangsrichtung P auf. Damit dienen diese Anschlagflächen 21" und 22" als Drehsicherung für den Gleitring 7. Figure 3a shows the relief device in normal operation, i.e. with the intended direction of rotation of the shaft 1. Since the sliding ring 7 is entrained by the sealing surface 6 by means of friction, the stop surfaces 21 ″ and 22 ″ lie against one another. Since these surfaces are oriented in the axial direction, essentially only a force occurs in the circumferential direction P. These stop surfaces 21 ″ and 22 ″ thus serve as a rotation lock for the slide ring 7.

Bei Umkehr der Drehrichtung der Welle 1 wird der Gleitring 7, wie in Fig. 3b gezeigt, ebenfalls mittels Reibung vom Dichtkörper der umlaufenden Wellenbüchse mitgenommen und die Verschiebeflächen 21' und 22' kommen zur Auflage und drücken mit einer gewissen Kraft aufeinander. Da diese Flächen jedoch schräg zur Achse der Welle orientiert sind, entsteht eine Kraftkomponente in Achsenrichtung A, welche den Gleitring 7 von der Dichtfläche 6 entlastet und bei hinreichender Kraft sogar von diesem abhebt. Es kann daher nur eine geringe oder überhaupt keine Trockenreibung entstehen, welche die Dichtung abnützen oder zerstören könnte. When the direction of rotation of the shaft 1 is reversed, the sliding ring 7, as shown in FIG. 3b, is also carried along by friction from the sealing body of the rotating shaft sleeve, and the sliding surfaces 21 'and 22' come to rest and press against one another with a certain force. However, since these surfaces are oriented obliquely to the axis of the shaft, a force component arises in the axial direction A, which relieves the sliding ring 7 from the sealing surface 6 and even lifts it off from the sealing surface with sufficient force. There can therefore be little or no dry friction which could wear or destroy the seal.

Wie in Fig. 4 gezeigt, kann anstatt der keilförmigen Vorsprünge 21 auch ein Element anderer Art vorgesehen sein, beispielsweise ein Stift oder eine Rolle 23. Voraussetzung ist lediglich, dass dieses Gegenstück auf einer schrägen Verschiebefläche 22' zu gleiten oder abzurollen vermag. As shown in FIG. 4, instead of the wedge-shaped projections 21, an element of a different type can also be provided, for example a pin or a roller 23. The only requirement is that this counterpart is able to slide or roll on an inclined sliding surface 22 '.

Es wird bemerkt, dass die Anschlagfläche 22" auch anders ausgeführt sein kann, beispielsweise ebenfalls als Rolle 23' und/oder als entgegengesetzt zur Gleitfläche 22' geneigte Fläche, wodurch im Normalbetrieb eine zusätzliche Anpresskraft oder eine Entlastungskraft des Gleitringes 7 an die Dichtfläche 6 erzeugt wird. It is noted that the stop surface 22 ″ can also be designed differently, for example also as a roller 23 ′ and / or as a surface inclined opposite to the sliding surface 22 ′, as a result of which an additional contact force or a relieving force of the sliding ring 7 on the sealing surface 6 is generated in normal operation becomes.

Vorteilhaft ist es, mehrere Rückstelleinrichtun-gen 19 am Umfang des Gleitringes 7 vorzusehen, vorzugsweise in symmetrischer Anordnung am Aussenkranz, beispielsweise zwei Rückstelieinrichtun-gen diametral gegenüber oder eine grössere Anzahl in sternförmiger Anordnung zwecks gleichmässiger Krafteinleitung und Vermeidung eines Kippmomentes. It is advantageous to provide a plurality of reset devices 19 on the circumference of the slide ring 7, preferably in a symmetrical arrangement on the outer ring, for example two reset devices diametrically opposite one another or a larger number in a star arrangement for the purpose of uniform application of force and avoiding a tilting moment.

Claims

1. As an axial mechanical seal designed dry gas seal for a rotating, through a housing wall (2) guided shaft (1) with a rotating shaft sleeve (3) as a carrier of a sealing surface (6) and a stationary seal ring (7) with a by means of a Gases on the sealing surface (6) pressed sliding surface (9 '), wherein on the sealing surface (6) and / or sliding surface (9') from the outer edge (17) inclined to the radial direction (R) grooves (18) for lubricating the Sealing surface (6) or the sliding surface (9 ') are provided by means of pressure build-up, characterized in that a relief device (19) is provided which, when the direction of rotation of the shaft (1) or the relative rotation between the sealing surface (6) and Sliding surface (9 ') generates a force against the pressing direction of the sliding ring (9') on the sealing surface (6).

2. Seal according to claim 1, characterized in that the relief device (19) on the outer ring (11) of the slide ring (7) or the opposite surface (20) of a seal holder (2 ') provided inclined guide (21', 22 ') which, in a direction of rotation opposite to the intended direction of rotation of the shaft (1), due to the torque exerted by the friction between the sealing surface (6) and the sliding surface (9 ') on the sliding ring (7), a force component against the pressing direction of the sliding ring (7) to the sealing surface (6).

3. Seal according to claim 2, characterized in that the inclined guide one or more over the circumference (11) of the sliding ring or the opposite housing wall (20), inclined against the axis of rotation, interacting with a counter element in the other part of the sliding surfaces (21 ' , 22 ').

4. Seal according to claim 3, characterized

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is characterized by the fact that the sliding surfaces consist of at least one surface (21 ') inclined to the axial direction on the outer rim (11) of the slide ring (7) or on the opposite surface (20) of the seal holder and a mating element (22', 23) interacting with it other part.

5. Seal according to claim 4, characterized in that the counter element has an inclined counter surface (22 ') corresponding to the inclined sliding surface (21'). 10th

6. Seal according to claim 4, characterized in that the counter element has a roller (23) cooperating with the inclined sliding surface (21 ').

7. Seal according to one of claims 1-6, characterized in that a plurality of relief devices (19) distributed symmetrically over the circumference (11) are provided on the slide ring (7).

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