DE10017668A1 - Aerodynamisches Axialdichtsystem - Google Patents

Abstract

Bei einem aerodynamischen Abdichtsystem gasgeschmierten Gleitringdichtung mit Dichtflächen für eine in einem Gehäuse umlaufende Antriebswelle weist eine der Dichtflächen eine Spiralnutengeometrie auf, ferner ist eine Pumpvorrichtung zur Verdampfung eines flüssigen Anteils des Fluids vorgesehen, die konzentrisch zur rotierenden Welle innerhalb des Gehäuses mit den Dichtungselementen angeordnet ist und die aus einem mit einem Innengewinde und einem mit einem Außengewinde versehenen Element besteht, wobei beide Elemente drehbeweglich gegeneinander gehaltert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein aerodynamisches Axialdichtsystem mit einem Gasfluidfilm zur Abdichtung eines Fluids in einem Raum zwischen einem Gehäuse und einer sich drehenden Welle, sowie mit Dichtungselementen, bestehend aus einem stationärem Ringkörper, der die rotierende Welle innerhalb des Gehäuses koaxial umschließt und der unter Federdruck gegenüber der rotierenden Welle axial und winkelbeweglich gehaltert ist, sowie einem mitbewegten Ringkörper, der die rotierende Welle innerhalb des Gehäuses koaxial umgibt und der in einer Arbeitsposition gegen eine Relativbewegung in Bezug auf die sich drehende Welle arretiert ist, wobei beide Ringkörper jeweils eine Dichtfläche aufweisen und diese Dichtflächen unter dem Federdruck miteinander eine Dichtung bilden, wobei einer der Ringkörper gemeinsam mit der sich drehenden Welle bewegbar ist und wobei eine der Dichtflächen eine Tragstruktur aufweist, die mit einem zwischen den Dichtflächen befindlichen Dichtfluid zusammenwirkt, sowie mit einer Pumpvorrichtung zur Abdichtung des Fluids in einem Raum zwischen dem Gehäuse und dem rotierenden Ringkörper.

Aerodynamische Axialdichtsysteme dieser Art werden häufig für die Abdichtung von mit hoher Geschwindigkeit oder unter hohem Druck arbeitenden Antriebswellen verwendet, bei denen ein Kontakt der Dichtflächen ansonsten eine starke Erwärmung verursachen würde, die zu Reibung und Verschleiß führen würden. Bei sich berührenden Dichtflächen, wie sie bei herkömmlichen Gleitringdichtungen vorliegen, bestehen Grenzen hinsichtlich maximal zulässiger Drücke und Geschwindigkeiten, die davon abhängen, ob es sich bei dem Dichtfluid um eine Flüssigkeit oder ein Gas handelt. Bei einem Gas liegen die Grenzen wesentlich niedriger, da Flüssigkeiten im Gegensatz zu Gasen die sich berührenden und aneinander reibenden Dichtflächen einer Dichtung schmieren und dadurch einen beträchtlichen Teil an Reibungswärme von der Dichtung fernhalten, so daß in diesem Fall höhere Drehzahlen und Drücke möglich sind.

Auch bei berührungsfrei arbeitenden Dichtungen der eingangs genannten Art existieren Grenzen hinsichtlich maximal zulässiger Drücke und Drehzahlen. Diese Grenzen sind gewöhnlich jedoch nicht durch die an den Dichtflächen entstehende Reibungswärme bedingt, vielmehr sind sie durch andere Faktoren wie die Festigkeit der verwendeten Werkstoffe, viskositätsbedingte Erwärmung oder aber auch unzulässig hohe Verluste durch Leckage des Fluid definiert. Bei berührungsfrei arbeitenden Dichtungen liegen die Grenzen jedoch viel höher als bei kontaktbehafteten Dichtungen. Demzufolge stellen berührungsfrei arbeitende Dichtungen die bevorzugte Lösung bei Dichtungsproblemen im Zusammenhang mit dem Auftreten hoher Drehzahlen oder Drücke dar, wie sie beispielsweise in Zentrifugalgaskompressoren, Pumpen für leichte Kohlenwasserstoffe, Füllpumpen für Boiler, thermische Turbomaschinen oder bei ähnlichen Anwendungsfällen vorliegen.

Berührungsfrei arbeitende Dichtungen sind in der Regel besser für einen Einsatz bei höheren Drücken und Drehzahlen geeignet, unabhängig davon, ob es sich bei dem zu dichtenden Fluid um eine Flüssigkeit, ein Gas oder um eine Mischung aus beiden handelt. Vor allem in Fällen, in denen das zu dichtende Fluid einen Phasenübergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand und zurück durchläuft, haben derartige Dichtungen erhebliche Vorteile.

Bei aus den US 4 212 475, 3 704 019 und 3 499 653 bekannt gewordenen berührungsfrei arbeitenden Dichtungen der eingangs genannten Art ist jeweils eine der Dichtflächen mit sich über einen Teilbereich der Dichtfläche erstreckenden Spiralnuten versehen. Derartige Dichtungen werden nicht nur bei Anwendungsfällen eingesetzt, bei denen hohe Drücke und Drehzahlen vorliegen, sondern auch in Fällen, in denen die zu dichtenden Fluide aus Gasen, Flüssigkeiten oder aus Gemischen beider Phasen bestehen.

Ein Nachteil derartiger berührungsfrei arbeitender Dichtungen besteht häufig darin, daß eine gewisse Emission bzw. Leckage des zu dichtenden Fluids in Kauf genommen werden muß, die gegebenenfalls höher sein kann als bei herkömmlichen Gleitringdichtungen. Dieser Nachteil kann noch ausgeprägter sein, wenn das zu dichtende Fluid sich entweder in flüssigem Zustand befindet oder als Flüssigkeits/Gas-Gemisch vorliegt. Hinzu kommt, daß bei gleichem Emissionsvolumen die Dichte einer austretenden Flüssigkeit um ein Mehrfaches größer ist als die eines Gases und daher der durch die Emission verursachte Massenverlust pro Zeiteinheit bei Flüssigkeiten wesentlich höher ist als bei Gasen. Sofern Fluide bei erhöhtem Druck oder höherer Geschwindigkeit gedichtet werden müssen, ist die Aufgabe vergleichsweise einfacher, wenn sich das Fluid bereits im gasförmigen Zustand befindet. Ist es dies nicht, sondern befindet sich im flüssigen Zustand, dann ist immer die Wahrscheinlichkeit einer vergleichsweise hohen Leckrate gegeben.

Daraus könnte gefolgert werden, daß es von Vorteil sein könnte, das zu dichtende Fluid im Bereich der Dichtflächen einer herkömmlichen Gleitringdichtung zu verdampfen, denn ein im Bereich der Dichtung stets verbleibender Flüssigkeitsrest würde nach wie vor eine Dissipation der anfallenden Reibungswärme gewährleisten. Dennoch sind keine derartigen Dichtvorrichtungen gebräuchlich, bei denen das zu dichtende Fluid einen Phasenübergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand durchläuft. Im Gegenteil, eine Vergasung oder Verdampfung im Bereich der Dichtung wurde bisher als schädlich für die Dichtungen von Flüssigkeiten erachtet und wird deshalb stets durch entsprechende Spül- oder Kühleinrichtungen unterbunden.

So ist bei einer aus der US 3 746 350 bekannten Dichtvorrichtung eine Axialpumpenanordnung vorgesehen, die das vorliegen einer ausschließlich flüssigen Phase im Dichtungsbereich und damit die Abfuhr von Reibungswärme aus dem Dichtungsbereich mittels Flüssigkeitszirkulation sicherstellen soll. Die Wärmeabfuhr verringert die Temperatur im Dichtungsbereich, was zu einer Absenkung des Dampfdrucks des zu dichtenden Fluids führt. Dadurch wird der Dampfdruck zuverlässig unterhalb des im Bereich der Dichtung herrschenden Druckes gehalten und das Fluid somit am Verdampfen gehindert. Die bekannte Pumpvorrichtung fördert dabei Flüssigkeit in axialer Richtung durch eine wirbelerzeugende gewindeähnliche Ausbildung sowohl der äußeren Oberfläche des sich drehenden Teils der Pumpe als auch der inneren Oberfläche des diesen umgebenden feststehenden Teils. Die Gewinde haben, abhängig vom Drehsinn, unterschiedliche Förderrichtungen, so daß die Flüssigkeit in einer der beiden axialen Richtungen bewegbar ist. Das Gewindeprofil dieser bekannten Anordnung ist im Hinblick auf die Erzielung eines maximalen Flüssigkeits-Fördervolumens bei gegebener Drehzahl optimiert.

Bei einer weiteren, aus der US 4 243 230 bekannten Dichtvorrichtung wird eine Pumpeneinheit dazu genutzt, den herrschenden Flüssigkeitsdruck zu erhöhen und auf diese Weise den bei sich drehender Welle durch das Austreten von Flüssigkeit aus dem Gehäuse verursachten Druckverlust auszugleichen und zu vermeiden, daß sich die Dichtflächen berühren, um auf diese Weise Reibung und Verschleiß zu verhindern. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist das Gewinde der Pumpeneinheit nicht, wie im vorangehend beschriebenen Fall, zur Erzielung eines maximalen Flusses, sondern im Hinblick auf die Erzeugung einer maximalen Druckdifferenz bei praktisch vernachlässigbarem Fluss optimiert und weist daher ein anderes Profil als bei der erstgenannten Anordnung auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch dann, wenn das zu dichtende Fluid nicht im gasförmigen Zustand, sondern als Flüssigkeit oder als Gas/Flüssigkeitsgemisch vorliegt, eine möglichst niedrige Leckrate vorliegt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen, die einen besonders effektiven Betrieb der erfindungsgemäßen Dichtvorrichtung gewährleisten, sind in den weiteren Ansprüchen angegeben. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird durch ein in axialer Richtung wirkendes, ringförmiges Pumpenelement Fluid aus dem Bereich der berührungsfrei arbeitenden Dichtung zurück zum Ursprung des Fluid gefördert. Auf diese Weise wird ohne eine weitere Zufuhr an Fluid ein Strömen durch die Pumpeinrichtung unterdrückt und eine Druckdifferenz aufgebaut. In der Folge wird dadurch die Kühlung unterbunden und die Temperatur des Fluids steigt. Beide Effekte, d. h. sowohl der Druckabfall als auch der Temperaturanstieg, führen zu einer Verdampfung des Fluids mit der Folge, daß eine berührungslos arbeitende gasgeschmierte Dichtung entsteht, bei der sich das Fluid in dem in Hinblick auf die Erzielung einer möglichst geringen Leckrate vorteilhaften gasförmigen Zustand befindet.

Im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen, bei denen mit den Dichtvorrichtungen kombinierte Pumpvorrichtungen entweder zur Kühlung und Flüssigkeitsbewegung oder zur Dichtung eines Fluids und zur Aufhebung des Kontaktes der beiden Dichtflächen einer Gleitringdichtung dienen, dient die bei der erfindungsgemäßen Dichtvorrichtung vorgesehene Pumpvorrichtung dazu, das Problem hoher Leckraten bei der Dichtung von Flüssigkeiten unter erhöhtem Druck oder bei höheren Drehzahlen zu lösen. Dabei wird eine Verdampfung innerhalb der Pumpvorrichtung und nicht im Bereich der Dichtflächen herbeigeführt, da letztere eher nachteilig bzw. schädlich wäre. Die Dichtung selbst wird dadurch ausschließlich mit gasförmigem Fluid beaufschlagt, und somit wird eine Arbeitsweise mit äußerst geringer Leckrate erreicht.

Diese niedrige Leckrate wird unabhängig davon erreicht, ob das zu dichtende Fluid flüssig, gasförmig oder ein Gemisch aus beiden ist. Die Vorrichtung nach der Erfindung beschleunigt den Verdampfungsprozeß eines flüssig vorliegenden Fluids insbesondere noch dadurch, das sie die Bewegung der gepumpten Flüssigkeit einschränkt und sie damit aufheizt und ihren Druck erniedrigt. Die bei der erfindungsgemäßen Dichtvorrichtung eingesetzte Pumpvorrichtung ist dabei im Hinblick auf den in ihr auftretenden Druckabfall so ausgelegt, daß es zu einer möglichst vollständigen Verdampfung des Fluids kommt.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Axial- Seitenansicht einen Teilausschnitt eines aerodynamischen Axialdichtsystems mit Gasfluidfilm in einem Tandemaufbau,

Fig. 2 eine Draufsicht entlang der Schnittlinie II II in Fig. 1 auf die Dichtfläche eines Ringkörpers im Antriebsbuchsensitz mit spiralförmigen Mikronuten,

Fig. 3 ein Druck-Temperatur-Diagramm mit einer Teildarstellung einer typischen Dampfdruckkurve eines Fluids und

Fig. 4 einen Teilschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel umfaßt eine rotierende Welle 20, die in einer zylindrischen Bohrung 12 eines Gehäuses 14 angeordnet ist. Die Bohrung 12 ist konzentrisch im Gehäuse 14 angebracht, in dem ferner ein sich nicht mitdrehender Pumpring 16 und eine Dichtungshalterung 18 angeordnet sind. Eine Deckplatte 20 ist am Gehäuse 14 befestigt und fixiert sowohl den Pumpring 16 als auch die Dichtungshalterung 18 in ihrer axialen Position in Bezug auf die drehende Welle 10. Das Gehäuse 14 kann seinerseits an einer in der Zeichnung nicht dargestellten Halterung befestigt sein. Ein stationärer Ringkörper 22 wird durch eine Federscheibe 26 gegen einen rotierenden Ringkörper 24 gepreßt, wobei die Federscheibe 26 ihrerseits in axialer Richtung durch eine Reihe von Federn 28 beaufschlagt wird. Zwischen dem stationären Ringkörper 22 und der Federscheibe 26 ist ein O-Ring 30 angeordnet. Der rotierende Ringkörper 24 sitzt in einer Antriebsbuchse 32 und wird axial durch eine Klemmbuchse 34 positioniert. Die Antriebsbuchse 32 und die Klemmbuchse 34 bilden zusammen eine rotierende Dichteinheit und sind durch einen Klemmkeil 38 gegen eine Relativbewegung in Bezug auf die Antriebswelle 10 gesichert. Zum Aufbau einer berührungslos arbeitenden hydrodynamischen Dichtung ist der rotierende Ringkörper 24, wie aus der Draufsicht in Fig. 2 ersichtlich, mit einer Tragstruktur durch eine Anzahl von gleichmäßig beabstandeten, sich über einen Teilbereich der Dichtfläche erstreckende Spiralnuten 40 versehen, deren spezielle Geometrie von der Drehzahl der Welle, dem Betriebsdruck und anderen Variablen abhängt. Die Antriebsbuchse 32 ist mit einem Außengewinde 42 versehen, das zur Erzielung einer maximalen Druckdifferenz optimiert ist und das deshalb üblicherweise als Spitzgewinde ausgebildet ist.

Der feststehende Pumpring 16 ist mit einem Innengewinde 44 versehen, das dem Gewinde 42 zugewandt ist und das ebenfalls üblicherweise zur Erzielung maximalen Druckes als Spitzgewinde ausgebildet ist. In Abhängigkeit von der Drehrichtung der Antriebswelle 10 ist eines der beiden Gewinde 42, 44 als Rechts-, das andere als Linksgewinde ausgebildet. Die Antriebsbuche 32 ist mit ihrem Gewinde 42 konzentrisch innerhalb des mit dem Innengewinde 44 versehenen Bereiches des Pumpringes 16 angeordnet. Obwohl in Wirklichkeit beide Gewinde nur durch einen schmalen Spalt voneinander getrennt sind, ist ihr Abstand aus Gründen der deutlicheren Darstellung in Fig. 1 stark übertrieben dargestellt. Zur Erzielung einer maximalen Druckdifferenz ist dieser Abstand möglichst gering gehalten. Während des Betriebes transportieren die Gewinde 42 und 44 Flüssigkeit aus dem Bereich der Ringkörper 22 und 24 in Richtung auf die Quelle des Flüssigkeitsdruckes, d. h. zur Bohrung 12, um auf diese Weise die Flüssigkeit aus dem Bereich der Dichtung fernzuhalten und zu erreichen, daß die Dichtkörper möglichst nur von gasförmigem Fluid umgeben sind und der Fluidverlust so möglichst gering gehalten wird.

Fig. 2 zeigt die mit spiralförmigen Nuten 40 versehene Oberfläche des Dichtkörpers 24 und die Form dieser Nuten. Jede der Nuten 40 nimmt ihren Ausgang an der Außenfläche des Ringkörpers 24 und erstreckt sich von hier in Richtung auf dessen Innendurchmesser, ohne sich jedoch bis zu diesem zu erstrecken; vielmehr enden die Nuten 40 bei einem Durchmesser, der größer ist als der Innendurchmesser des Ringkörpers 24. Dabei weisen alle Spiralnuten 40 die gleiche Kontur auf.

Fig. 3 zeigt eine Ausschnitt aus einer Dampfdruckkurve eines typischen Fluids, wobei hier der Druck über der Temperatur aufgetragen ist. Die Kurve 46 verbindet alle Punkte, in denen das Fluid sowohl im gasförmigen als auch im flüssigen Zustand vorliegen kann. Die Fläche oberhalb der Kurve mit der Bezeichnung "LIQUID" zeigt den Bereich derjenigen Kombinationen aus Druck und Temperatur, in denen das Fluid nur in flüssiger Form vorliegen kann. Die Fläche unterhalb der Kurve mit der Bezeichnung "GAS" charakterisiert denjenigen Bereich, in dem das Fluid nur als Gas vorliegen kann.

Die Punkte A und B in Fig. 3 erscheinen auch in Fig. 1 und entsprechen dem Druckabfall und dem Temperaturanstieg zwischen dem Eingang und dem Ausgang der von den Gewinden 42 und 44 gebildeten Pumpvorrichtung. Sie verdeutlichen dabei den Wechsel des Zustandes an den beiden Enden des Gewindes vom flüssigen Zustand B in den gasförmigen Zustand A. Hier sollte angemerkt werden, daß, damit dieser Übergang tatsächlich erfolgt, der Punkt B für die betreffende Geometrie der die Pumpwirkung erzeugenden Gewinde und die Drehzahl der Antriebswelle hinreichend nahe an der Kurve 46 liegen muß, so daß mit gegebenen Druckverlust einerseits und Erwärmung der Flüssigkeit andererseits der Punkt A auch tatsächlich im Bereich gasförmigen Zustandes des Diagramms liegt und die Flüssigkeit auch tatsächlich verdampft wird.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die mit der vorangehend beschriebenen weitgehend übereinstimmt mit Ausnahme der Pumpvorrichtung. Während die Pumpwirkung bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung auf der Erzeugung eines Strudels oder Wirbels basiert, resultiert die Pumpwirkung bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel auf dem Einfluß der Viskosität und wird in Dichtanordnungen verwendet, die den unter der Bezeichnung "VISCOSEALS" bekannten vergleichbar sind.

Die in Fig. 4 dargestellte Dichtvorrichtung benutzt bei ansonsten gleicher Anordnung eine Kombination aus einer glatten äußeren Oberfläche 48, einer Antriebsbuchse 32 und einem flachen Rechteckgewinde 50 auf der Innenfläche des feststehenden Pumpenringes 16, wobei im Rahmen der Erfindung aber auch andere Profilgebungen möglich und einsetzbar sind. Weiterhin zeigt Fig. 4 einen optionalen Einlaß 54 für ein Gas, beispielsweise Luft unter Atmosphärendruck, über ein unidirektionales Ventil 52. Zweck dieses Einlasses ist es, zu verhindern, daß der Druck an der Dichtung unter den Umgebungsdruck absinkt, beispielsweise beim Anfahrvorgang und bevor die Temperatur einen Betriebswert erreicht, der ausreicht, um ausreichende Mengen gasförmigen Fluids zu erzeugen. Sofern es sich bei dem Dichtfluid um ein solches handelt, das sich nicht mit Luft vermischen darf, kann das am Einlaß 52 zugeführte Gas auch einer externen Quelle entnommen werden.

Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die vorangehend beschriebenen Anordnungen lediglich spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen und daß weitere Ausführungsformen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (6)

1. Aerodynamisches Abdichtsystem mit einem Gasfluidfilm zur Abdichtung eines Fluids in einem Raum zwischen einem Gehäuse und einer sich drehenden Welle, sowie mit Dichtungselementen, bestehend aus einem stationärem Ringkörper, der die rotierende Welle innerhalb des Gehäuses koaxial umschließt und der unter Federdruck gegenüber der rotierenden Welle axial beweglich gehaltert ist, sowie einem mitbewegten Ringkörper, der die rotierende Welle innerhalb des Gehäuses koaxial umgibt und der in einer Arbeitsposition gegen eine Relativbewegung in Bezug auf die sich drehende Welle arretiert ist, wobei beide Ringkörper jeweils eine Dichtfläche aufweisen und diese Dichtflächen unter dem Federdruck miteinander eine Dichtung bilden, wobei einer der Ringkörper gemeinsam mit der sich drehenden Welle bewegbar ist und wobei eine der Dichtflächen eine Oberflächenstruktur aufweist, die mit einem zwischen den Dichtflächen befindlichen Dichtfluid zusammenwirkt, sowie mit einer Pumpvorrichtung zur Abdichtung des Fluids in einem Raum zwischen dem Gehäuse und dem rotierenden Ringkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpvorrichtung (16, 32, 42, 44) zur Verdampfung eines flüssigen Anteils des Fluids konzentrisch zur rotierenden Welle (10) und innerhalb des Gehäuses (14) sowie zwischen den Dichtungselementen (22, 24) angeordnet ist.

2. Aerodynamisches Abdichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpvorrichtung ein Element (16) aufweist, das eine mit einem Gewinde (42) versehene innere zylindrische Oberfläche besitzt und das konzentrisch im Inneren des Gehäuses (14) angeordnet ist.

3. Aerodynamisches Abdichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpvorrichtung ein Element (32) aufweist, das eine mit einem Gewinde (44) versehene äußere zylindrische Oberfläche besitzt und das mit der rotierenden Welle (10) mitbewegbar angeordnet ist.

4. Aerodynamisches Abdichtsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpvorrichtung ein Element (32) aufweist, das eine mit einem Gewinde (44) versehene äußere zylindrische Oberfläche besitzt und das mit der rotierenden Welle (10) mitbewegbar angeordnet ist.

5 Aerodynamisches Abdichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstruktur einer der Dichtflächen aus spiralförmigen Nuten besteht.

6. Aerodynamisches Abdichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuse einen Durchlaß (54) im Bereich der Dichtung aufweist, der über ein Einwegventil (52), das mit einer externen Gasversorgungseinheit verbunden ist, beaufschlagbar ist.