CH685514A5

CH685514A5 - Dry gas seal for rotating shaft

Info

Publication number: CH685514A5
Application number: CH196292A
Authority: CH
Inventors: Joachim Dr-Ing Schmied; Karl Allenbach
Original assignee: Escher Wyss Ag
Priority date: 1992-06-22
Filing date: 1992-06-22
Publication date: 1995-07-31

Abstract

Dry seal for a rotating shaft (1) passing through a housing wall (2) includes a bush (3) supporting a sealing body (5) with sealing surface (6) and a slide ring (7) with a sliding surface (10) pressed onto the surface and lubricated by gas. The ring is of a material with similar elastic modulus in steel and with higher thermal conductivity and lower coefft. of expansion, pref. a sintered material selected from Si, W, or Ti carbide. A C-contg. material body (9) is brazed to the ring with Ag-Ti brazing alloy.

Description

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CH 685 514 A5 CH 685 514 A5

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft eine trockenlaufende Gasdichtung für eine drehende, durch eine Gehäusewand geführte Welle mit einer mit der Wlelle umlaufenden Wellenbüchse als Träger eines Dichtkörpers mit einer Dichtfläche und mit einem stationären Gleitring mit einer mittels Gas an die Dichtfläche angedrückten und mit diesem Gas geschmierten Gleitfläche. The invention relates to a dry-running gas seal for a rotating shaft guided through a housing wall with a shaft sleeve rotating with the shaft as a carrier of a sealing body with a sealing surface and with a stationary slide ring with a sliding surface pressed against the sealing surface by gas and lubricated with this gas.

Solche Trockengasdichtungen sind beispielsweise aus DE-A 3 942 408 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 als Sperrmedium dienenden Gases, welches die Gleitfläche des Gleitringes an die Dichtfläche drückt und somit den Austritt von Gas aus dem Innenraum minimalisiert. Gleichzeitig wird ein gasgefüllter Spalt zum berührungslosen Lauf der Dichtung gebildet. Such dry gas seals are known, for example, from DE-A 3 942 408 and are used to seal the housing 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 escaping from the interior. This is done by means of a gas serving as a barrier medium, which presses the sliding surface of the sliding ring against the sealing surface and thus minimizes the escape of gas from the interior. At the same time, a gas-filled gap is formed for the contactless running of the seal.

Für eine einwandfreie und betriebssichere Funktion einer solchen Dichtung sind die Materialeigenschaften des Dichtkörpers und des Gleitringes von wesentlicher Bedeutung. Insbesondere muss für eine hinreichende Abführung der in der Dichtung gebildeten Wärme gesorgt werden, und andererseits dürfen im Betrieb keine störenden Verformungen oder Verlagerungen der Dichtungsteile auftreten, welche zu starker Abnützung oder zu Beschädigungen führen könnten. The material properties of the sealing body and the slide ring are essential for the proper and reliable functioning of such a seal. In particular, adequate heat dissipation of the heat generated in the seal must be ensured, and on the other hand, no disturbing deformations or displacements of the seal parts may occur during operation, which could lead to excessive wear or damage.

Bei den bekannten Trockengasdichtungen ist beispielsweise der Gleitring als Ringkörper aus Stahl ausgebildet, in welchen an seiner Dichtseite ein Gleitkörper aus Kohle, beispielsweise mit Graphit-Struktur eingelassen ist. Die Wärmeleitfähigkeit des Stahlringes ist jedoch häufig zu klein, um die infolge der Wärmeabfuhr im Gleitring entstehenden Temperaturgradienten genügend klein zu halten. Bei zu hohen Temperaturgradienten kann sich der Gleitring, insbesondere bei relativ hoher Wärmedehnzahl, unzulässig verformen. In the known dry gas seals, for example, the sliding ring is designed as an annular body made of steel, in which a sliding body made of carbon, for example with a graphite structure, is embedded on its sealing side. However, the thermal conductivity of the steel ring is often too low to keep the temperature gradients resulting from the heat dissipation in the slide ring sufficiently small. If the temperature gradients are too high, the sliding ring may deform inadmissibly, particularly if the thermal expansion coefficient is relatively high.

Es ist zwar versucht worden, den Gleitring einteilig aus Kohle auszuführen, was jedoch neben der schlechten Wärmeleitung den Nachteil der mangelnden Festigkeit und Belastbarkeit der Dichtung mit sich bringt. Auch eine einteilige Ausführung des Gleitringes aus Siliziumkarbid ist bekannt geworden, womit sich jedoch keine hinreichend guten Gleiteigenschaften erzielen lassen, die man insbesondere beim Anfahren benötigt. Attempts have been made to make the slide ring in one piece from carbon, but this has the disadvantage of poor strength and resilience of the seal in addition to poor heat conduction. A one-piece design of the sliding ring made of silicon carbide has also become known, but this does not allow sufficiently good sliding properties to be achieved, which are required in particular when starting off.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die angegebenen Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, und insbesondere bei der eingangs angegebenen trockenlaufenden Gasdichtung bei Verbesserung der Gleiteigenschaften die Deformationen infolge der Wärmeabfuhr und der Druckbelastung zu verringern und damit einen sicheren Betrieb zu ermöglichen. The invention sets itself the task of avoiding the disadvantages of the prior art, and in particular in the case of the dry-running gas seal specified at the beginning, in order to improve the sliding properties, to reduce the deformations as a result of the heat dissipation and the pressure load, and thus to enable safe operation.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Gleitring aus einem Ringkörper mit ähnlichem Elastizitätsmodul wie Stahl und einer im According to the invention, this object is achieved in that the slide ring consists of a ring body with a similar modulus of elasticity as steel and a

Vergleich zu Stahl höheren Wärmeleitfähigkeit und kleinerer Wärmedehnung besteht, und an seiner der Dichtfläche zugekehrten Gleitfläche einen auf den Ringkörper mit einer Lötverbindung befestigten Gleitkörper aus kohlehaltigem Material trägt. Compared to steel, there is higher thermal conductivity and lower thermal expansion, and on its sliding surface facing the sealing surface carries a sliding body made of carbonaceous material fastened to the ring body with a soldered connection.

Mit Vorteil haben Gleitkörper und Ringkörper ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. The sliding body and ring body advantageously have similar thermal expansion coefficients.

Mit Vorteil besteht der Ringkörper aus einem Karbid, insbesondere aus der Gruppe der Silizium-, Wolfram- oder Titankarbid oder aus einem ähnlichen Sinter-Hartmetall. The ring body advantageously consists of a carbide, in particular from the group of silicon, tungsten or titanium carbide or a similar sintered hard metal.

Als besonders vorteilhaft hat sich kohledotiertes Siliziumkarbid erwiesen, dessen Wärmeleitfähigkeit erheblich über der von Stahl liegt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient deutlich geringer als der von Stahl ist, und welches einen hinreichend hohen Elastizitätsmodul mit entsprechender grosser Härte besitzt. Verglichen mit reinem Siliziumkarbid oder Silizium/Siliziumkarbid-Compounds lässt sich kohledotiertes Siliziumkarbid besonders leicht mit einer Kohleschicht verlöten, wobei zwischen dem Lot und dem kohledotierten Siliziumkarbid einerseits und der Kohleschicht andererseits eine besonders innige und feste strukturelle Verbindung durch Legierung oder Diffusion oder chemische Verbindung gebildet wird, welche derartige Spannungen aufnehmen kann, dass sich auch bei extremen Betriebsbedingungen der Gleitkörper nicht vom Ringkörper löst. Carbon-doped silicon carbide has proven to be particularly advantageous, the thermal conductivity of which is considerably higher than that of steel, the coefficient of thermal expansion is significantly lower than that of steel, and which has a sufficiently high modulus of elasticity with a correspondingly high hardness. Compared to pure silicon carbide or silicon / silicon carbide compounds, carbon-doped silicon carbide can be soldered particularly easily with a carbon layer, a particularly intimate and firm structural connection being formed by alloy or diffusion or chemical connection between the solder and the carbon-doped silicon carbide on the one hand and the carbon layer on the other , which can absorb such voltages that the sliding body does not separate from the ring body even under extreme operating conditions.

Als geeignetes Lot hat sich ein Silber-Titan-Lot mit einem Titangehalt von ca. 2-4 Gew.-% erwiesen, was eine Löttemperatur von etwa 1050°C ergibt. A silver-titanium solder with a titanium content of approximately 2-4% by weight has proven to be a suitable solder, which results in a soldering temperature of approximately 1050 ° C.

Die Erfindung wird anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dieses zeigt eine als Trockengasdichtung ausgeführte axiale Wellendichtung im Schnitt längs der Wellenachse. The invention is explained in more detail with reference to the embodiment shown in the figure. This shows an axial shaft seal designed as a dry gas seal in section along the shaft axis.

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 tieferen Druk-kes Pa geführt. Die Dichtung weist eine auf die Welle 1 aufgesetzte Wellenbüchse 3 auf, die auf ihrer Aussenseite einen Dichtkörper 5 trägt, welcher auf seiner Aussenseite wiederum eine kreisringförmige Dichtfläche 6 bildet. Vorzugsweise ist der Dichtkörper 5 aus einem Hartmetall ausgeführt, beispielsweise aus Siliziumkarbid, oder einem anderen Material mit ähnlichen Gleiteigenschaften. Zur Abdichtung des hohen Innendruckes Pi sind zwischen dem Dichtkörper 5 und der Wellenbüchse 3 eine oder mehrere in Nuten der Wellenbüchse 3 eingelassene O-ringförmige Dichtungen 8 vorgesehen. In the example shown in the figure, a shaft 1 is sealingly guided through the housing wall 2, for example 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 carries a sealing body 5 on its outside, which in turn forms an annular sealing surface 6 on its outside. The sealing body 5 is preferably made of a hard metal, for example of silicon carbide, or another material with similar sliding properties. In order to seal the high internal pressure Pi, one or more O-ring-shaped seals 8 are provided between the sealing body 5 and the shaft bushing 3.

In die die Wellendurchführung bildende Bohrung der Gehäusewand 2 ist ein Dichtungshalter 12 eingeführt, welcher einen Teil der Gehäusewand 2 bildet, und in welchem ein stationärer, d.h. nicht-rotierender, aber axial etwas verschiebbarer Gleitring 7 sitzt, welcher auf seiner der Dichtfläche 6 des Dichtkörpers 5 zugekehrten Seite 10 einen Gleitkörper 9 aus einem kohlehaltigen Material mit guten Gleiteigenschaften trägt, z.B. aus Kohle mit Graphitstruktur oder einem kohlekeramischen Werkstoff. In the bore of the housing wall 2 forming the shaft bushing, a seal holder 12 is inserted, which forms part of the housing wall 2, and in which a stationary, i.e. Non-rotating, but axially somewhat displaceable slide ring 7 is seated, which carries on its side 10 facing the sealing surface 6 of the sealing body 5 a sliding body 9 made of a carbonaceous material with good sliding properties, e.g. made of carbon with a graphite structure or a carbon-ceramic material.

Durch den Innendruck P, wird die Gleitringrückseite 11 vom Dichtungshalter 12 her, eventuell un5 Due to the internal pressure P, the back of the sliding ring 11 is removed from the seal holder 12, possibly un5

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terstützt durch eine Feder 13, gegen den Dichtkörper 5 gedrückt. Gleichzeitig wird durch das zugeführte Gas im Dichtspalt S zwischen dem Dichtkörper 5 und dem Gleitkörper 9 ein Gasfilm von einigen Mikrometern Dicke gebildet, welcher eine berührungslose Dichtung bewirkt. Dabei kann die Schmierung der Gleitflächen in bekannter Weise zum Beispiel aerodynamisch über Taschen oder Rillen in der Gleitfläche oder Dichtfläche, oder aero-statisch mit Gaszuführung durch den Gleitkörper hindurch zur Gleitfläche erfolgen. Das durch den Dichtspalt und die verschiedenen Dichtungsringe hindurchtretende Leckgas wird über eine Leitung 14 nach aussen abgeführt. supported by a spring 13, pressed against the sealing body 5. At the same time, a gas film of a few micrometers thickness is formed in the sealing gap S between the sealing body 5 and the sliding body 9 by the supplied gas, which causes a contactless seal. 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 aero-statically with gas supply through the sliding body to the sliding surface. The leakage gas passing through the sealing gap and the various sealing rings is discharged to the outside via a line 14.

Der Gleitring 7 besteht aus einem Ringkörper 4 aus einem Material mit ähnlichem Elastizitätsmodul wie Stahl, aber mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als Stahl und einem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Stahl, so dass die Temperaturgradienten im Ringkörper 4 infolge der im Dichtspalt gebildeten Wärme besonders gering sind. Zusammen mit dem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizient hat dies relativ geringe Deformationen des Ringkörpers 4 im Betrieb zur Folge. The slide ring 7 consists of a ring body 4 made of a material with a similar modulus of elasticity as steel, but with a higher thermal conductivity than steel and a smaller coefficient of thermal expansion than steel, so that the temperature gradients in the ring body 4 are particularly low due to the heat formed in the sealing gap. Together with the small coefficient of thermal expansion, this results in relatively small deformations of the ring body 4 during operation.

Der kohlehaltige Gleitkörper 9 wird mit dem Ringkörper 4 mittels einer Lötverbindung 15 fest und innig verbunden, welche sich auch bei extremen Betriebsbedingungen nicht löst. The carbon-containing sliding body 9 is firmly and intimately connected to the ring body 4 by means of a solder joint 15, which does not come loose even under extreme operating conditions.

Besonders gut geeignet und vorteilhaft ist die Ausbildung des Ringkörpers 4 aus einem Sinterkarbidmaterial, beispielsweise aus der Gruppe der Silizium-, Wolfram- oder Titankarbide, welche sich mit einem geeigneten Lot gut mit dem aus Kohle oder kohlekeramischem Werkstoff bestehenden Gleitkörper 9 verlöten lassen. The formation of the ring body 4 from a cemented carbide material, for example from the group of silicon, tungsten or titanium carbides, which can be easily soldered to the sliding body 9 made of carbon or carbon-ceramic material, is particularly suitable and advantageous.

Eine besonders feste Lötverbindung ergibt sich bei Materialien, welche mit dem Lot eine innige strukturelle Verbindung eingehen, welche im Vergleich zu Verklebungen oder Verkittungen schon aufgrund der gebildeten Materialstruktur eine bessere Festigkeit aufweist. Als besonders geeignet hat sich beispielsweise die Ausbildung des Ringkörpers 4 aus einem kohledotierten Siliziumkarbid erwiesen, welches sich besonders gut mit einem geeigneten Lot, z.B. einem Silber-Titan-Lot mit einem Titangehalt von etwa 2-4 Gew.-% und einer Löttemperatur von etwa 1050°C, nahezu unlösbar mit dem kohlehaltigen Gleitkörper 9 verbinden lässt. Die beim Verlöten von Ringkörper 4 und Gleitkörper 9 gebildete Lot-Zwischenschicht 15 ist zudem hinreichend weich, um Wärmespannungen und Deformationen aufnehmen zu können, ohne dass sich die Teile voneinander lösen. A particularly strong soldered connection results in materials which form an intimate structural connection with the solder, which, compared to gluing or cementing, already has better strength due to the material structure formed. For example, the formation of the ring body 4 from a carbon-doped silicon carbide has proven to be particularly suitable, which is particularly well suited with a suitable solder, e.g. a silver-titanium solder with a titanium content of approximately 2-4% by weight and a soldering temperature of approximately 1050 ° C., can be connected to the carbon-containing sliding body 9 in an almost permanent manner. The solder intermediate layer 15 formed when the ring body 4 and the sliding body 9 are soldered is also sufficiently soft to be able to absorb thermal stresses and deformations without the parts separating from one another.

Mit der beschriebenen Materialwahl lässt sich also eine trockenlaufende Gasdichtung herstellen, welche auch unter extremen Betriebsbedingungen keine unzulässigen Deformationen aufweist und daher eine verbesserte Betriebssicherheit und einen vergrösserten Anwendungsbereich aufweist. With the choice of material described, a dry-running gas seal can therefore be produced, which does not have any impermissible deformations even under extreme operating conditions and therefore has improved operational reliability and an enlarged area of application.

Von Vorteil ist es, wenn der Gleitkörper 9 und der Ringkörper 4 ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Dies führt zu besonders geringen relativen Wärmedehnungen zwischen Gleitkörper und Ringkörper während des Lötvorganges infolge der dabei erforderlichen hohen Temperaturen. It is advantageous if the sliding body 9 and the ring body 4 have similar coefficients of thermal expansion. This leads to particularly low relative thermal expansions between the sliding body and the ring body during the soldering process due to the high temperatures required.

Claims

1. Dry-running gas seal for a rotating shaft (1) guided through a housing wall (2) with a shaft sleeve (3) rotating around the shaft (1) as a carrier of a sealing body (5) with a sealing surface (6), and with a stationary one Sliding ring (7) with a sliding surface (10) pressed by gas against the sealing surface (6) and lubricated with this gas, characterized in that the sliding ring (7) consists of an annular body (4) made of a material with a similar modulus of elasticity as steel and Compared to steel with higher thermal conductivity and smaller coefficient of thermal expansion, and on its sliding surface (6) facing the sliding surface (10) carries a sliding body (9) attached to the ring body (4) with a solder connection (15) made of carbonaceous material.

2. Seal according to claim 1, characterized in that the ring body (4) and the sliding body (9) have a similar coefficient of thermal expansion.

3. Seal according to claim 1 or 2, characterized in that the ring body (4) consists of a sintered hard metal.

4. Seal according to claim 3, characterized in that the ring body (4) consists of a material from the group of silicon, tungsten and titanium carbide.

5. Seal according to claim 4, characterized in that the ring body (4) consists of a carbon-doped silicon carbide.

6. Seal according to one of claims 1-5, characterized in that the sliding body (9) consists of a carbonaceous material with a graphite structure.

7. Seal according to one of claims 1-5, characterized in that the sliding body (9) consists of a carbon-ceramic material.

8. Seal according to one of claims 1-7, characterized in that the solder (15) consists of a material which is able to enter into an intimate structural connection both with the ring body (4) and with the sliding body (9).

9. Seal according to claim 8, characterized in that the solder (15) is a silver-titanium solder.

10. Seal according to claim 9, characterized in that the titanium content of the solder (15) is in the range of 2-4 wt .-%.

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