DE102005005348A1 - Gewindewellen-Dichtung mit hydraulisch erzeugter Radialkraft zur Kompensation der Wellenbelastung, sowie mit Stillstands- Aufsetz-Dichtring - Google Patents

Abstract

Den altbekannten Gewindewellen-Dichtungen zur berührungslosen Absperrung von Wellenspalten mittels Druckaufbau in einem Fluidfördergewinde lässt sich eine wertvolle zweite Funktion übertragen, nämlich die Erzeugung einer radialen Druckkraft auf die Welle zur Entlastung der Wellenlager. Dies geschieht einfach dadurch, dass die Fluidfördergewinde grundsätzlich in die Wellenbuchse geschnitten werden und streckenweise schräge Grenzen erhalten, um unter der Welle ein breites und über ihr ein schmales gewindefreies Feld zu schaffen. Deren Differenzfläche ergibt, multipliziert mit dem auf sie geleiteten und von den Fluidfördergewinden gehaltenen Druck, die gewünschte Radialkraft. Für solche Gewinde sind Steigungswinkel zwischen 3 DEG alpha 30 DEG anwendbar. Die Anstellung der Feldgrenzen der Fluidfördergewinde muss kleiner bleiben (gamma alpha), bietet aber reichlich Spielraum für hohe Entlastungskräfte. Diese können sowohl mit dem Anstellwinkel gamma als auch mit dem angelegten Druck des Fluids (meist Öl) eingestellt werden. Die Fig. 1 zeigt die Verhältnisse an der Abwicklung einer "Doppelten Gewindewellen-Dichtung" mit den gegenläufigen Gewindefeldern A¶1¶ und A¶2¶, dem gewindefreien Feld A¶3¶ und dem Differenzfeld A¶4¶.

Description

• Hydrodynamische „Einfache" und „Doppelte" (gegenläufige) Gewindewellen-Dichtungen, auch Visko-Dichtungen genannt, zur Absperrung von Wellenslaufspalten gegen Druckgasdurchfluss mittels auf Sperrdruck zusammengepresstem Fluid, meist Maschinenöl, sind seit langem bekannt. K. Trutnovsky/K. Komotori beschreiben sie ausführlich ich ihrem Buch „Berührungsfreie Dichtungen" [1] und zitieren zahlreiche wissenschaftliche Abhandlungen und Untersuchungen über sie. Man findet dort jedoch keine Andeutung, dass die wenige Zehntelmillimeter tiefen, mit Gewindesteigungen zwischen 3° ≤ α ≤ 30° betriebenen Fluidfördergewinde auch mit anderen als zur Welle senkrechten Grenzen zum Einsatz kommen. Gerade die Überlegung, dass auch schräge Grenzlinien mit Neigungen γ bis zur Gewindesteigung α(γ ≤ α) erlaubt sei sollten, führt aber dazu, die Gewindewellen-Dichtungen außer ihrer Absperrfunktion eine zweite wichtige Aufgabe ausführen zu lassen. Sie können sehr gut die Lagerbelastung teilweise oder ganz kompensierende Querkräfte auf die Welle geben.
• Derartige Kräfte sind sehr willkommen, da die Reduzierung der Lagerbelastung bei Wälzlagern eine Steigerung der zulässigen Drehzahl bringt. So werden Lager, die man sonst nicht einsetzen könnte, verwendbar, abgesehen von der Senkung der zu den Lagerkräften proportionalen Reibungsverluste. In hochtourigen Maschinen, wie z.B. Turbomaschinen und Schraubenkompressoren, dürfen jetzt die aufgrund ihrer Präzision, Einfachheit und Wirtschaftlichkeit vorteilhaften Wälzlager, wie beispielsweise die Spindellager, eingebaut werden, die bei voller Last nur eine geringe Lebensdauer erreichen würden. Besonders wichtig ist, dass Spindellager, eine spezielle Art der Schrägkugellager, durch ihr minimales Laufspiel sehr enge Wellenlaufspalte gestatten. Dadurch steigern sie rückwirkend enorm die Dichtkraft der Gewindewellen-Dichtungen, denn die mit diesen erzeugbare Druckdifferenz wächst reziprok zum Quadrat der Spalthöhe. Auch im Inneren von Gasfördermaschinen, z.B. Schraubenkompressoren und -expansionsmaschinen erweisen sich enge berührungslose Laufspalte als außerordentlich nützlich, nehmen doch die rück- oder vorströmenden Leckströme mit der dritten Potenz der Spalthöhe zu.
• Die 1 zeigt eine abgewickelte gegenläufige Gewindewellen-Dichtung, die nicht in die rotierende Welle eingeschnitten werden kann, sondern in die ruhende Wellenbuchse einzuarbeiten ist. Dabei ergibt sich die Möglichkeit, Teile der ursprünglich breiten Fluidfördergewinde wieder wegzufräsen, um den auf einer Wellenseite bestehen bleibenden schmalen Zwi schenraum (1-5-8-4-1) auf der Gegenseite zu verbreitern (2-6-7-3 2) und stetige Übergänge (5-6, 1-2, 7-8 und 3-4) zwischen diesen Flächen mit Grenzliniensteigung γ, die kleiner ist als die Steigung α, (γ ≤ α), der Fluidfördergewinde, zu schaffen. Wenn jetzt in den fördergewindefreien Spaltraum (A₃), (1-2-3-4-1-5-6-7-8-5), Druckfluid gepresst wird und bei rotierendem Rotor durch die gegenläufigen Fluidfördergewinde (A₁ und A₂) dort eingesperrt wird, heben sich die Druckkräfte auf den trapezförmigen Seitenflächen der Welle (1-5-6-2-1 und (4-8-7-3-4) auf, während auf der Differenzfläche (A₄) zwischen oben und unten (11-6-7-12-11 plus 2-9-10-3-2) die Druckkraft (F_p = A₄·p) kreiert wird. In Wirklichkeit ist der sich in den Fluidfördergewinden abbauende Druck mit zu berücksichtigen, denn, damit diese das Fluid halten können, muß es auf einer gewissen Breite in sie vordringen. Das Drucköl in der Umfangsfläche (A₃) bildet, wie gehabt, den Sperröldamm für den Gasdurchtritt.
• Die 2 stellt den Einbau von vier Gewindewellen-Dichtungen mit Wellenlastkompensation (13, 14, 15, 16) in einen Schraubenkompressor (17) mit dem Hauptrotor (18) und dem Nebenrotor (19) dar. Die Maschine ist aufgrund der Entlastung mit hochpräzisen, hochtourigen Spindelkugellagern (20, 21, 22, 23) ausgerüstet. Die Restbreiten der Fluidfördergewinde (24, 25) an der Lagerseite neben den breiten gewindefreien Druckfeldern (26, 27) sind so klein, dass entspanntes Drucköl zum Synchrongetriebe (28) und den Lagern hin durchtritt, das aber von den -breiten Fluidfördergewinden (20, 30) auf den gegenüberliegenden Wellenseiten zurückgesaugt wird. Das Drucköl fließt durch die Leitungen (31, 32, 33, 34) in die Sperrräume, durch die versetzt angeordneten Leitungen (35, 36, 37, 38) wieder heraus und zirkuliert zwischendurch durch die Förderpumpe, den Druckregler, den Öltank und den Thermostatkühler, der seine Viskosität konstant hält.
• In der Zeichnung wirken die Entlastungskräfte für den einen Rotor in Richtung auf den anderen. Das ist nicht unbedingt richtig, sondern ihre Richtung ist, wie ihre Stärke, in Entwicklungsversuchen auszutarieren. Die radiale Lagerbelastung ist bei den druckseitigen (39) Lagern größer als bei den saugseitigen. Deshalb wird auf der Saugseite, gekennzeichnet durch den Ansaugkanal (41), nur eine halbsogroße Kompensationsfläche (0.5 A₄) vorgesehen, oder, falls nötig, durch Änderung der Grenzen des Fluidfördergewindes noch weniger. Der Wegfall der gegenläufigen Fluidfördergewinde an den Rotorenden bietet die Chance, das Drucköl gleichzeitig auf die saugseitigen Endflächen (42, 43) der Rotorwellen wirken zu lassen, um die Axialschübe aufzufangen. Die Entwicklungsversuche müssen ergeben, ob man bei noch tolerierbaren Lagerbelastungen mit nur einem Öldruck für alle Kompensationspunkte auskommen kann, oder ob man unterschiedliche Drücke herstellen und regeln muß.
• Wenn die Maschine abgeschaltet wird, ist der Öldruck wegzunehmen. Dann müssen mit den Rotoren mitrotierende Aufsetz-Dichtringe (44) sich auf vorspringende Gleitflächen am Gehäuse aufsetzen und hindern, dass das drucklose Öl in die Arbeitsräume (z.B. 45) des Verdichters einsickert. Solche Ringe mögen schon bekannt sein. Trotzdem zeigt die 3 in Vergrößerung einen speziell für diese Einsätze entworfenen Dichtring aus Elastomerwerkstoff. Eingegossen hat er einen gestanzten sehr dünnwandigen Federring (48) mit Federzungen (49), die seinen ringförmigen Kopf (50) mit der Dichtlippe (51) auf die Gleitfläche (52) am Gehäuse (53) pressen. Der Aufsetz-Dichtring wird mit seinem Rumpfring (54) in die Ringnut (46) am Rotor (47) eingeklebt und hat einen biegsamen Hals (55). Beginnt der Rotor zu rotieren und erreicht die Drehzahl, bei der die Fluidfördergewinde genügend Druck herstellen, hebt die Fliehkraft den Dichtringkopf (50) gegen die Anpresskraft der Federzungen (49) bis an den Anschlag (56) in der Rotornut (46) an, und die Dichtlippe (51) schwebt verschleißfrei berührungslos über der Gleitfläche (52), während das Fluidfördergewinde (57) das Öl von ihr wegsaugt.
• Literatur:
• [1] Karl Trutnovsky/Kazunari Komotori, Berührungsfreie Dichtungen, 4. Auflage, 1981, VDI-Verlag, Düsseldorf

Claims (3)

1. Gewindewellen-Dichtung mit einem oder mit zwei, dann gegenläufigen, in die Wellenbuchse geschnittenen Fluidfördergewinden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Gewindegrenzen auf gegenüberliegenden Seiten der Welle zwei gleichlange, mit gleichgroßem Anstellwinkel γ, der kleiner als die Gewindesteigung ist (γ ≤ α), zueinander entgegengesetzt, zur Wellenachse angestellte Streckenabschnitte hat, zwischen denen jeweils gleichlange nicht angestellte Abschnitte die Grenze schließen und zwei unterschiedlich breite, einander gegenüberliegende, gewindefreie Umfangsflächen begrenzen.
2. Gewindewellen-Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewindefreie Umfangsfläche neben der oder den besagten Gewindegrenzen mit Druckfluid (meist Öl) beaufschlagt ist, das in die Fluidfördergewinde vordringt und von ihnen zurückgehalten wird.
3. Gewindewellen-Dichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an ihrer bzw. ihren Gasseiten Elastomerdichtringe in den Rotor eingebaut sind mit Dichtlippen, die bei niedriger Drehzahl und bei Stillstand federangepresst auf eine vorspringende ringförmige Gleitfläche am Gehäuse aufsetzen, bei schneller Rotation aber gegen einen Anschlag im Rotor abheben.