DE102005055942B4

DE102005055942B4 - Abdichtvorrichtung

Info

Publication number: DE102005055942B4
Application number: DE102005055942A
Authority: DE
Inventors: Karl Prof. Dr. Ing. Schöllhorn
Original assignee: Sensoplan GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2025-11-25
Also published as: DE102005055942A1; US7762558B2; US20070114728A1

Abstract

Vorrichtung zum Abdichten einer, eine feststehende Gehäusewand (2) durchragenden, rotierenden Welle (1) zwischen den beiden Gehäuseseiten,
mit einem zwischen der Gehäusewand (2) und der Welle (1) angeordneten, drehfest mit der Gehäusewand (2) verbundenen Dichtring (3) sowie
mit einer Dichtölzuführung (4) zum Zuführen von Dichtöl in den Dichtspalt zwischen der Innenmantelfläche des Dichtringes (3) und der Außenmantelfläche der Welle (1),
wobei der Dichtring (3) in seiner Dichtfläche im Bereich der Dichtölzuführung (4) in Umfangsrichtung sich erstreckende, taschenförmige Ausnehmungen (5) aufweist und
wobei die taschenförmigen Ausnehmungen (5) des Dichtringes (3) wenigstens auf der einen Seite des Dichtringes (3) abgeschlossen und bezüglich des angrenzenden Raumes der entsprechenden Gehäuseseite durch einen umlaufenden Begrenzungssteg (6) abgedichtet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die taschenförmigen Ausnehmungen (5) um den Innenumfang des Dichtringes (3) herum durch eine im Dichtring (3) ausgebildete Umfangsnut (7) miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abdichten einer, eine feststehende Gehäusewand durchragenden, rotierenden Welle zwischen den beiden Gehäuseseiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung sind die sogenannten Turbogeneratoren für die elektrische Stromerzeugung. Bei Turbogeneratoren großer Leistung erfolgt die Kühlung mittels Wasserstoff, welcher sich in dem Generatorgehäuse befindet. Zu diesem Zweck ist eine gasdichte Durchführung der beiden Wellenenden des Läufers durch das Generatorgehäuse erforderlich, um das Entweichen von Wasserstoff zwischen den beiden Gehäuseseiten im Bereich der rotierenden Welle zu verhindern.
Die Abdichtung der Welle in dem Gehäuse erfolgt durch eine Wellendichtung, welche drehfest in dem Gehäuse angeordnet ist und die rotierende Welle umgibt. Dabei wird durch eine entsprechende Dichtölzuführung ein Ölfilm zwischen der rotierenden Welle und dem schwimmenden, nicht mitdrehenden Dichtungsring aufrechterhalten. Für alle Betriebszustände ist dabei gefordert, daß das Dichtöl als Sperrmedium den Dichtspalt zwischen der Welle und dem Dichtring vollständig ausfüllt. Darüber hinaus sind die axialen Spalte zwischen den Dichtringseitenflächen und dem Dichtringgehäuse in der Regel mit Dichtöl gefüllt. Der Dichtring und die Welle bilden dabei ein schwingungsfähiges System, weil der Ölfilm ein Feder-Dämpfer-System darstellt.
Bei einem vollzentrierten Dichtring mit konstanter Spaltgröße kann allerdings eine Selbstzentrierung nicht stattfinden. Die Folge davon sind erhöhte Exzentrizitäten des Dichtringes. Daraus resultieren ungleichmäßige Erwärmungen, thermische Verkrümmungen, erhöhter Wasserstoffverbrauch, niedrigere Wasserstoffreinheit sowie insgesamt ein erhöhter Verschleiß.
Aus diesem Grunde gibt es selbstzentrierende Dichtringe der eingangs angegebenen Art, die sich quasi in allen Betriebszuständen selbst auf dem Dichtölfilm zentrieren. Dies wird bei dem Dichtring der eingangs angegebenen Art dadurch erreicht, daß dieser um die Innenmantelfläche herum eine Mehrzahl von taschenförmigen Ausnehmungen für das Dichtöl aufweist. Diese taschenförmigen Ausnehmungen besitzen in Drehrichtung der Welle gesehen eine keilförmige Kontur. Der Vorteil dieser taschenförmigen Ausnehmungen im Dichtring besteht darin, daß bei sich verringerndem Abstand zwischen der Welle und dem Dichtring in den Taschen ein Druck aufgebaut wird, welcher den Dichtring wieder zentriert.
Der Nachteil des bei dieser Abdichtungsvorrichtung verwendeten Dichtringes besteht darin, daß die taschenförmigen Ausnehmungen in Axialrichtung der Welle gesehen durchgehend ausgebildet sind, also somit von der einen Seite des Dichtringes bis zur anderen Seite des Dichtringes. Dadurch ist in Axialrichtung der Welle gesehen eine durchgehende Öffnung gebildet. Die Folge davon ist, daß sich der Effekt der Stabilisierung und Selbstzentrierung nicht vollständig ausbilden kann.
Die DE 21 35 344 B zeigt eine Vorrichtung zur Dichtung und Lagerung der ein Maschinengehäuse durchdringenden Welle. – Bei der Ausführungsform in 1 ist zwischen dem Maschinengehäuse und der Welle eine Dichtungsbüchse angeordnet, welche mittels eines Stiftes drehfest im Maschinengehäuse gelagert ist. Die Dichtungsbüchse besitzt am inneren Umfang drei Abschnitte. Dabei dienen die beiden äußeren Abschnitte zum Dichten gegen die Hochdruckseite bzw. die Niederdruckseite und der mittlere Abschnitt zur radialen Führung der Dichtungsbüchse gegenüber der Welle und zum Tragen des Gewichts von Welle und Rotor. Die beiden äußeren Abschnitte liegen dabei dichtend an der Welle an. Der dazwischen befindliche mittlere Abschnitt hingegen weist zur Ausbildung keilförmiger, hydrodynamischer Gleitfilme keilförmige Ausnehmungen auf. Diese halten die Dichtungsbüchse streng zentrisch zur Welle und verhindern damit eine metallische Berührung in den beiden äußeren, dichtenden Abschnitten. – Bei der Ausführungsform in 2 ist die Dichtungsbüchse in ihrem mittleren Abschnitt seitlich offen. Deshalb ist eine dazu separate Büchse in diesem Bereich vorgesehen.
Die DE 25 19 689 C2 zeigt eine Dichtungsanordnung für eine in einem Gehäuse drehbar gelagerte Welle. Die Dichtung weist innenseitig eine bogenförmig geformte Ausnehmung auf, welche über Bohrungen mit der Ölmittelzuführung in Verbindung steht.
Die DE 689 15 706 T2 zeigt eine Dichtung für eine rotierende Achse. Die Dichtung ist dabei innenseitig mit umlaufenden Dichtungskammern versehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Abdichtvorrichtung der eingangs angegebenen Art den Dichtring dahingehend zu verbessern, daß die Dichtfunktion und die Tragfähigkeit des Dichtringes verbessert ist.
Die technische Lösung ist gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.
Dadurch ist eine Abdichtvorrichtung mit einem speziellen Dichtring geschaffen, welche sich durch verbesserte Eigenschaften auszeichnet. So sind Verschleiß und Schwingungen nur minimal, und der Wasserstoffverbrauch wird auf ein Minimum reduziert. Die Grundidee des erfindungsgemäßen Dichtringes besteht darin, daß die taschenförmigen Ausnehmungen in Axialrichtung der Welle gesehen nicht durchgehend sind, sondern daß die taschenförmigen Ausnehmungen im Bereich der einen Dichtringseite bzw. Dichtringebene eine Begrenzungswand aufweisen. Zum seitlichen Abschließen der taschenförmigen Ausnehmungen im Dichtring dient dabei ein Begrenzungssteg. Hier handelt es sich um einen konzentrischen Ring auf der einen (Flach-)Seite des Dichtringes. Die Innenmantelfläche der Begrenzungswand der taschenförmigen Ausnehmung definiert mit der Außenmantelfläche der Welle einen keilförmigen Dichtspalt, in welchem sich das zugeführte Dichtöl befindet. Der erfindungsgemäße Dichtring hat dabei den Vorteil, daß keine Änderung der Außenabmessungen und keine Änderung der nominalen Schmierspaltgröße notwendig ist. Es ist weiterhin vor allem eine umlaufende Mittennut im Zentrum zum Aufbau von zwei Dichtkeilen zur Luft- und zur Wasserstoffseite hin vorgesehen. Durch diese Umfangsnut um den gesamten Umfang des Dichtringes herum bzw. um den gesamten Umfang der Welle herum ist ein Ölfilm vorhanden, insbesondere auch an denjenigen Stellen, wo der Dichtring direkt an der Welle anliegt. Vor allem aber stellt die Umfangsnut den Taschen einen homogenen, gleichförmig verteilten Ölfilm zur Verfügung. Somit ist durch diese umlaufende Mittennut im Zentrum jederzeit die komplette Dichtfunktion und Tragfähigkeit zusammen mit den Taschen gewährleistet. Die Mittennut und die taschenförmigen Ausnehmungen übernehmen dabei die komplette Dichtfunktion und Tragfähigkeit. Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Dichtringes liegt somit in der Gestaltung der Dichtfläche des Wellendichtringes. Insgesamt wird der Verschleiß eliminiert, genauso wie das Anstreifen des Ringes, das zu Schwingungen führen kann. Wie bereits eingangs erwähnt, läßt sich vor allem auch der Wasserstoffverbrauch minimieren und die Wasserstoffreinheit erhöhen.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, daß die Leckagen an dieser Medientrennstelle auf ein Minimum reduziert sind.
Eine bevorzugte Weiterbildung schlägt Anspruch 3 dahingehend vor, daß die taschenförmigen Ausnehmungen auf beiden Seiten abgeschlossen sind. Dies bedeutet, daß die zylinderförmige Innenmantelfläche des Dichtrings quasi in einem streifenförmigen Mittelbereich um den gesamten Umfang herum gleichmäßig verteilt die taschenförmigen Ausnehmungen aufweist. Beidseits dieser taschenförmigen Ausnehmungen besitzt der Dichtring den vorgegebenen Innendurchmesser des Dichtringes mit einem minimalen Dichtspalt zur Welle hin, und zwar um den gesamten Umfang herum.
Gemäß der Weiterbildung in Anspruch 4 kann die Dichtölzuführung zu den taschenförmigen Ausnehmungen entweder radial oder axial erfolgen.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abdichten einer, eine feststehende Gehäusewand durchragenden, rotierenden Welle zwischen den beiden Gehäuseseiten wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:
1 eine Ansicht der Dichtvorrichtung in Axialrichtung der Welle gesehen;
2 eine Ansicht des Dichtrings in 1 senkrecht zur Mittelachse gesehen;
3 ein Detailausschnitt im Bereich F der Darstellung in 1;
4 ein Schnitt entlang der Linie B-B in 1 (um 90° gedreht);
5 ein Detailausschnitt der Darstellung in 2 im Bereich A;
6 ein Detailausschnitt aus der Darstellung in 5 im Bereich C im Bereich der umlaufenden Nut;
7 eine perspektivische Teilansicht auf die Innenmantelfläche des Dichtringes.
Das Ausführungsbeispiel betrifft einen Turbogenerator, bei welchem die Welle 1 des Läufers eine Gehäusewand 2 durchragt und in dieser drehbar gelagert ist. Auf der einen Seite der Gehäusewand 2 befindet sich Luft (außerhalb des Gehäuses), und auf der anderen Seite der Gehäusewand 2 befindet sich Wasserstoff (im Innern des Gehäuses).
Zwischen der Gehäusewand 2 und der Welle 1 befindet sich ein Dichtring 3, welcher drehfest mit der Gehäusewand 2 verbunden ist. Dieser Dichtring 3 weist zunächst um den Umfang verteilt eine Mehrzahl von radialen Dichtölzuführungen 4 auf. Diese münden radial innenseitig jeweils in einer taschenförmigen Ausnehmung 5. Wie in 3 erkennbar ist, ist diese taschenförmige Ausnehmung 5 derart profiliert, daß sie in Drehrichtung der Welle 1 gesehen keilförmig zuläuft.
Auf den beiden Seiten des Dichtringes 3 sind die taschenförmigen Ausnehmungen 5 jeweils durch einen umlaufenden Begrenzungssteg 6 begrenzt. Diese beiden Begrenzungsstege 6 sind zur Welle 1 hin jeweils hohlzylinderförmig ausgebildet und bilden somit mit der Welle 1 einen gleichförmigen Dichtspalt. Letztendlich bedeutet dies, daß die gesamte radiale Innenwandung des Dichtrings 3 hohlzylinderförmig ausgebildet ist und daß in einem vollumfänglichen Mittelstreifen taschenförmige Ausnehmungen 5 ausgebildet sind, welche sich in Richtung Umfangsrichtung des Dichtringes 3 erstrecken und welche jeweils zueinander beabstandet sind.
Die taschenförmigen Ausnehmungen 5 sind schließlich noch durch eine umlaufende Umfangsnut 7 in der Mitte miteinander verbunden.
Die Funktionsweise ist wie folgt:
Durch die Dichtölzuführungen 4 wird dem Dichtspalt zwischen der Welle 1 und dem Dichtring 3 Dichtöl mit einem Druck von beispielsweise 4–5 bar zugeführt. Dieses Dichtöl sammelt sich zunächst im vorerwähnten Dichtspalt, sowie weiterhin in den taschenförmigen Ausnehmungen 5 sowie schließlich in der Umfangsnut 7. Durch die taschenförmigen Ausnehmungen 5 ist der Dichtring 3 selbstzentrierend. Sollte nämlich der Dichtring 3 eine bezüglich der Welle 1 exzentrische Position einnehmen, baut sich in der taschenförmigen Ausnehmung 5 ein Öldruck auf, welcher den Dichtring 3 bezüglich zur Welle 1 wieder zentriert.
Durch die seitlichen Begrenzungsstege 6 der taschenförmigen Ausnehmungen 5 ergeben sich Vorteile hinsichtlich Verschleiß, Schwingungen sowie Wasserstoffverbrauch und Wasserstoffreinheit.

1: Welle
2: Gehäusewand
3: Dichtring
4: Dichtölzuführung
5: taschenförmige Ausnehmung
6: Begrenzungssteg
7: Umfangsnut

Claims

Vorrichtung zum Abdichten einer, eine feststehende Gehäusewand (2) durchragenden, rotierenden Welle (1) zwischen den beiden Gehäuseseiten, mit einem zwischen der Gehäusewand (2) und der Welle (1) angeordneten, drehfest mit der Gehäusewand (2) verbundenen Dichtring (3) sowie mit einer Dichtölzuführung (4) zum Zuführen von Dichtöl in den Dichtspalt zwischen der Innenmantelfläche des Dichtringes (3) und der Außenmantelfläche der Welle (1), wobei der Dichtring (3) in seiner Dichtfläche im Bereich der Dichtölzuführung (4) in Umfangsrichtung sich erstreckende, taschenförmige Ausnehmungen (5) aufweist und wobei die taschenförmigen Ausnehmungen (5) des Dichtringes (3) wenigstens auf der einen Seite des Dichtringes (3) abgeschlossen und bezüglich des angrenzenden Raumes der entsprechenden Gehäuseseite durch einen umlaufenden Begrenzungssteg (6) abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die taschenförmigen Ausnehmungen (5) um den Innenumfang des Dichtringes (3) herum durch eine im Dichtring (3) ausgebildete Umfangsnut (7) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung auf derjenigen Seite der taschenförmigen Ausnehmung (5) erfolgt, an welcher bezüglich zum Öldruck der größere Differenzdruck anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die taschenförmigen Ausnehmungen (5) des Dichtringes (3) auf beiden Seiten des Dichtringes (3) abgeschlossen und zur Welle (1) hin mittels eines Begrenzungssteges (6) abgedichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtölzuführung (4) zu den taschenförmigen Ausnehmungen (5) radial oder axial erfolgt.
Dichtring (3) zum Abdichten einer eine feststehende Gehäusewand durchragenden rotierenden Welle (3) zwischen den beiden Gehäuseseiten einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.