DE102012214276A1

DE102012214276A1 - Wellendichtungsanordnung

Info

Publication number: DE102012214276A1
Application number: DE102012214276.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Kirchner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-13
Also published as: EP2850346A1; CN104520618B; CN104520618A; US9657842B2; WO2014023581A1; US20150226336A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtungsanordnung (SSM) mit einer sich entlang einer Achse (X) erstreckenden Welle (SH) und einem Stator (ST), wobei an der Welle (SH) ein rotierender Dichtring (RSR) angeordnet ist und an dem Stator (ST) ein statischer Dichtring (SSR) angeordnet ist, wobei der rotierende Dichtring (RSR) eine rotierende Dichtfläche (RSS) und der stehende Dichtring (SSR) eine stehende Dichtfläche (SSS) aufweist, wobei diese Dichtflächen (2SS) derart angeordnet sind, dass sie sich in einer im Wesentlichen radialen Dichtebene (SPL) dichtend gegenüberstehen, wobei die Wellendichtungsanordnung (SSM) als berührungslose Gasdichtung ausgebildet ist, wobei mindestens eine der Dichtflächen (2SS) eine nicht-rotationssymmetrische Oberflächenkonturierung (SC) aufweist. Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Wellendichtungsanordnung einer Gasdichtung zu schaffen, welche vergleichsweise weniger Aufbereitungsaufwand hinsichtlich des Dichtungsgases erfordert. Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Oberflächenkonturierung (SC) Vertiefungen (DP) in der Dichtfläche (2SS) umfasst, wobei die Vertiefungen (DP) jeweils einer Begrenzungslinie (LL) zu der sonstigen Dichtfläche (O2SS) aufweist und eine mittels der Begrenzungslinie (LL) definierte Bodenfläche (FS) der Vertiefung (DP) einen stetigen radialen Verlauf aufweist, wobei die Vertiefung (DP) an der Begrenzungslinie (LL) mit einer Tiefe von 0 an der sonstigen Dichtfläche (O2SS) ansetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtungsanordnung mit einer sich entlang einer Achse erstreckenden Welle und einem Stator, wobei an der Welle ein rotierender Dichtring angeordnet ist und an dem Stator ein statischer Dichtring angeordnet ist, wobei der rotierende Dichtring eine rotierende Dichtfläche und der statische Dichtring eine stehende Dichtfläche aufweist, wobei diese Dichtflächen derart angeordnet sind, dass sie sich in einer im Wesentlichen radialen Ebene dichtend gegenüberstehen, wobei die Wellendichtungsanordnung als berührungslose Gasdichtung ausgebildet ist, wobei mindestens eine der Dichtflächen eine nicht-rotationssymmetrische Oberflächenkonturierung aufweist.
Gasdichtungen sind für Strömungsmaschinen, insbesondere Verdichter, die als Turbomaschinen ausgebildet sind, bei höheren Drücken infolge der vergleichsweise geringen Leckage die bevorzugte Dichtungsform. Bspw. im Vergleich zu herkömmlichen Labyrinthdichtungen ermöglicht die um eine Größenordnung niedrigere Leckage der Trockengasdichtung einen signifikanten Wirkungsgradzuwachs der entsprechenden Turbomaschine.
Gegenüber den verhältnismäßig einfach aufgebauten Labyrinthdichtungen sind die modernen Trockengasdichtungen vergleichsweise anspruchsvoll hinsichtlich der Betriebsbedingungen. Ein sicherer Betrieb von Trockengasdichtungen ist nur möglich, wenn ein Gleitfilm aus trockenem Gas zwischen den beiden Dichtringen ständig mit Gas entsprechend hoher Aufbereitungsqualität versorgt wird. Das Gas zur Versorgung des Gasfilms zwischen den Dichtringen muss einerseits hinreichend getrocknet sein und andererseits auch verhältnismäßig frei von Fremdkörpern. Die für die Gasaufbereitung erforderlichen Hilfssysteme bspw. eines Prozessgasverdichters können hinsichtlich ihres Raumbedarfs und der Investitionskosten durchaus in der Größenordnung des eigentlichen Verdichters liegen.
Aus der DE 690 19 296 T2 , der DE 692 04 703 T2 , der DE 693 03 749 T2 , der US 5,222,743 A1 und der US 6,152,452 A1 sind jeweils Wellendichtungsanordnungen bekannt, die infolge ihrer Funktionsweise auf eine hohe Aufbereitungsgüte des Dichtungsgases angewiesen sind.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Wellendichtungsanordnung einer Gasdichtung zu schaffen, welche vergleichsweise weniger Aufbereitungsaufwand hinsichtlich des Dichtungsgases erfordert.
Zur erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass eine Wellendichtungsanordnung der eingangs genannten Art die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 zusätzlich aufweist.
Eine Wellendichtungsanordnung gemäß der Erfindung meint eine Anordnung, die eine Wellendichtung umfasst, die auch für höhere Drehgeschwindigkeiten des Rotors geeignet ist. Hierzu zählen bspw. Trockengasdichtungen für hochtourige Turboverdichter. Ungeeignet für diesen Einsatzzweck sind bspw. Stopfbuchsen. Die besondere Eignung für die hochtourige Drehgeschwindigkeit erlangt die Trockengasdichtung aufgrund der Berührungslosigkeit der beiden zueinander gegenüberliegend angeordneten Dichtflächen. Die Berührungslosigkeit liegt in der Regel erst vor, wenn sich ein Gasgleitfilm zwischen den beiden gegenüberliegenden Dichtflächen ab einer bestimmten Grenzgeschwindigkeit ausgebildet hat. Während die Anspruchsfassung festlegt, dass ein Dichtring stehend und der andere Dichtring zur Drehung vorgesehen ist, ist es für die Wellendichtungsanordnung gemäß der Erfindung nur maßgeblich, dass eine Relativdrehung zwischen dem stehenden und dem rotierenden Dichtring erfolgt. Insofern wird kein absoluter Bewegungs- oder Ruhezustand beansprucht. Von besonderer Bedeutung ist die Oberflächenkonturierung mindestens eine der beiden gegenüberliegenden Dichtflächen. Diese Oberflächenkonturierung ist erfindungsgemäß durch eine gezielte Fertigung in die Dichtungsoberfläche eingebracht und nicht etwa Resultat einer in der Fertigungstoleranz liegenden Welligkeit der Dichtungsfläche. Die erfindungsgemäße Oberflächenkonturierung ist außerdem nicht-rotationssymmetrisch, wobei eine rotationssymmetrische Oberflächenkonturierung durch die Erfindung als zusätzliches Merkmal nicht ausgeschlossen ist. Insbesondere sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass mindestens eine der beiden gegenüberliegenden Dichtflächen, bevorzugt beide gegenüberliegenden Dichtflächen, eine gezielte rotationssymmetrische konvexe Form aufweisen. Die konvexe Form ist hierbei bevorzugt derart ausgeprägt, dass eine gezielte Klaffung der radialen Randbereiche bei mittiger radialer Anlage der beiden Dichtflächen aneinander von etwa 1 µm bis 10 µm vorliegt. Bevorzugt beträgt die Klaffung 1,5 bis 3 µm.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Oberflächenkonturierung liegt darin, dass – anders als im Stand der Technik – sich kein Schmutz in der Oberflächenkonturierung ansammeln kann, der insbesondere die „lift-off”-Eigenschaften der Wellendichtungsanordnung beeinflussen könnte. Die erfindungsgemäßen Oberflächenkonturierungen sind in der Lage, sich im Betrieb von dem Schmutz des Dichtungsgases freizuhalten, weil dieser sich nur schlecht an der erfindungsgemäßen Geometrie anlagern kann. Die im Stand der Technik üblichen verhältnismäßig scharfen Kanten bzw. Unstetigkeiten der Oberflächenkonturierung bzw. Dichtfläche führen zu kleinen Wirbeln bzw. „Totwasser”-Strömungen, die die Anlagerung von Partikeln in der Konturierung bzw. deren Verschmutzung begünstigen. Dem entsprechend muss bei herkömmlichen Oberflächenkonturierungsgeometrien ein besonderer Aufwand in die Aufbereitung des Dichtungsgases investiert werden, welcher Aufwand bei der erfindungsgemäßen Geometrie signifikant geringer ausfallen kann, da die neue Wellendichtungsanordnung toleranter gegenüber Verschmutzungen infolge ihrer Selbstreinigung ist.
Da der stetige radiale Verlauf der Bodenfläche der erfindungsgemäßen Vertiefung in der Dichtfläche schon einen bedeutenden Fortschritt hinsichtlich der Selbstreinigung der Dichtfläche mit sich bringt, wird die Selbstreinigung zusätzlich verbessert, wenn die Bodenflächen außerdem einen stetigen tangentialen Verlauf aufweist.
Im Sinne der Erfindung bedeutet ein stetiger Verlauf, dass die entsprechende Verlaufslinie oder Verlaufskontur in der angegebenen Richtung stetig differenzierbar ist. An den Stellen der geforderten Stetigkeit liegt dementsprechend ein diskreter – also endlicher – Ableitungswert vor. Mit anderen Worten: der Verlauf weist in dem entsprechenden Bereich keine Ecken oder Kanten hinsichtlich der angegebenen Verlaufsrichtung auf. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die definierte Bodenfläche der Oberflächenkonturierung bzw. Vertiefung in radialer Richtung zweifach stetig differenzierbar ist. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Bodenfläche der Vertiefung in radialer Richtung und in tangentialer Richtung zweifach stetig differenzierbar ist. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Dichtfläche in radialer und/oder tangentialer Richtung im Bereich der Begrenzungslinie einfach stetig differenzierbar ist. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Dichtfläche im Bereich der Begrenzungslinie und speziell auf der Begrenzungslinie zweifach stetig differenzierbar ist.
Die vorhergehend angegebenen Merkmale hinsichtlich stetiger Differenzierbarkeit sind in ihrer Reihenfolge abgestuft zunehmend geeignet, eine Verschmutzungstendenz zu minimieren.
Sämtliche Richtungsangaben, einschließlich der Angaben zur Differenzierbarkeit, beziehen sich auf ein Koordinatensystem aus der Achse in Richtung der Wellenachse, eine dazu senkrechte radiale Richtung und eine zu diesen beiden Richtungen tangentiale Richtung. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Vertiefung an der Begrenzungslinie an der sonstigen Dichtfläche stetig ansetzt. Diese Ausbildung begünstigt zusätzlich eine Minimierung der Verschmutzungsneigung. Soll stattdessen eine Erniedrigung der „lift-off”-Drehzahl bewirkt werden, kann es zweckmäßig sein, wenn die Vertiefung im Bereich der Begrenzungslinie an der übrigen Dichtfläche unstetig ansetzt.
Zur verbesserten Modularisierung der erfindungsgemäßen Wellendichtungsanordnung ist es zweckmäßig, wenn die Vertiefungen hinsichtlich einer radialen Ebene in sich symmetrisch ausgebildet sind, so dass eine drehrichtungsunabhängige Dichtwirkung und „lift-off”-Drehzahl entsteht.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Begrenzungslinie in der jeweiligen Dichtfläche eine geschlossene Linie bildet. Alternativ kann die Begrenzungslinie an einer Begrenzungskante der jeweiligen Dichtfläche beginnen und enden, wodurch die „lift-off”-Drehzahl herabgesetzt wird.
In dem Fall, dass die Begrenzungslinie der Vertiefung an einer Begrenzungskante der Dichtfläche beginnt und endet, bzw. dort ein erstes Ende hat und ein zweites Ende hat (im Grunde ist die Begrenzungslinie nicht gerichtet) – also eine offene Geometrie bildet – ist es zweckmäßig, dass die Begrenzungslinie (in der Draufsicht auf die Dichtfläche) eine parable Form aufweist. Auch aus Sicht der Fertigung der Oberflächenkonturierung ist es zweckmäßig, wenn die Vertiefung die Geometrie eines Kegelschnitts (also Kreis oder Elypse oder Parabel oder Dreieck) aufweist. Mit diesen Konturen lassen sich einerseits gute „lift-off”-Eigenschaften erzielen und andererseits gute Verschmutzungstoleranzen bewirken. Da die Begrenzungskante der Dichtgeometrie im Grunde ein Kreis mit verhältnismäßig großem Radius ist und keine gerade Linie, sind die Vertiefungen nur unter der Maßgabe, dass die Außenkontur bzw. die Begrenzungskante mit ihrem großen Radius als gerade Linie anzusehen ist und der Schnitt eines Kegels bzw. eines Kegelstumpfes.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Zeichnungen zur beispielhaften Verdeutlichung näher erläutert.
Es zeigen:
1: eine perspektivische Darstellung einer Wellendichtungsanordnung gemäß der Erfindung,
2, 6: jeweils eine perspektivische und schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Dichtfläche mit Vertiefung,
3, 7, 12, 13: jeweils einen Abschnitt in Umfangsrichtung einer Draufsicht eines Dichtungsrings mit erfindungsgemäßen Vertiefungen,
4, 9, 10, 11: jeweils ein radialer Schnitt durch Dichtungsringe gemäß der 3 und 7, wobei die dort mit römischen Ziffern bezeichneten Schnitte in ihrem Zahlenbetrag jeweils der Figurennummerierung entsprechen,
5, 8: jeweils eine Sicht von radial außen auf die Dichtringumfangsegmente der 3 und 7, wobei der gleiche Zusammenhang hinsichtlich der römischen Ziffern und der Figurennummerierung gegeben ist.
1 zeigt eine Wellendichtungsanordnung SSM gemäß der Erfindung mit einer sich entlang einer Achse X erstreckenden Welle SH. Wenn es nicht anders angegeben ist, beziehen sich Richtungsangaben – wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung – in diesem Dokument auf diese Achse X. Ein gegenüber der Welle SH ruhender Stator ST umgibt die Welle SH. Die Wellendichtungsanordnung SSM umfasst weiterhin eine Wellenhülse SSL, die an der Welle SH fest angebracht ist. Gemeinsam mit der Wellenhülse SSL und der Welle SSH dreht sich auch ein rotierender Dichtring RSR. Dem rotierenden Dichtring RSR gegenüber befindet sich ein statischer Dichtring SSR, der drehfest mit dem Stator ST verbunden ist. Der statische Dichtring SSR weist eine stehende Dichtfläche SSS auf, die sich in einer im Wesentlichen radialen Dichtebene SPL einer rotierenden Dichtfläche RSS des rotierenden Dichtrings RSR gegenüber befindet. Eine elastische Feder ESP spannt die stehende Dichtfläche SSS gegen die rotierende Dichtfläche RSS. Im Folgenden werden die rotierende Dichtfläche RSS und die stehende Dichtfläche SSS, wenn es auf deren Unterscheidung nicht ankommt, auch schlicht als Dichtfläche 2SS bezeichnet. Mindestens eine der Dichtflächen 2SS ist mit einer durch gezielte Fertigung eingebrachten nicht-rotationssymmetrischen Oberflächenkonturierung SC versehen. Die Oberflächenkonturierung SC weist Vertiefungen DP auf, wobei die Vertiefungen DP eine Begrenzungslinie LL zu der sonstigen Dichtfläche O2SS aufweist. Die Vertiefung DP innerhalb der Begrenzungslinie LL wird durch eine Bodenfläche FS beschrieben, wie dies auch in den 2, 6 perspektivisch wiedergegeben ist.
Die 2 bis 5 zeigen im Wesentlichen eine Ausgestaltung der Vertiefung DP gemäß der Erfindung. Vernachlässigt man die Krümmung der radial äußeren Begrenzungskante auf der Seite der Dichtfläche 2SS des Dichtrings und betrachtet diese infolge des großen Radius als Gerade so beschreibt die Vertiefung DP der 2, insbesondere in der Projektion der 3, ein Dreieck. Insbesondere in der Projektion der 3 wird deutlich, dass dieses Dreieck in zwei gleiche Hälften durch den Schnitt IV geteilt wird, so dass eine Symmetrie der Vertiefung DP hinsichtlich eines Radialschnitts entsteht. Dies bedeutet, wie in den übrigen Ausführungsbeispielen auch, eine Unabhängigkeit des Dichtrings 2SS, bzw. der erzielten Dichtwirkung, gegenüber der Drehrichtung der erfindungsgemäßen Wellendichtungsanordnung SSM. Die Vertiefung DP setzt mit der Begrenzungslinie LL an der sonstigen Dichtfläche O2SS mit einer Tiefe von 0 an, ist also im Ansatz stetig. Diese Stetigkeit gilt insbesondere für den Verlauf der Vertiefung DP hinsichtlich des Radialschnitts IV bzw. gemäß der Darstellung der 4. Die Bodenfläche FS der Vertiefungen DP selbst ist im Bereich des Radialschnitts IV wie auch hinsichtlich aller anderen möglichen Radialschnitte in sich stetig. Diese Stetigkeit begünstigt die Minimierung der Neigung zur Anlagerung von Verschmutzungen.
Die 6 bis 11 zeigen eine Anordnung, deren Geometrie der Vertiefung DP in der Bodenfläche FS nicht nur hinsichtlich sämtlicher Radialverläufe stetig ist sondern auch hinsichtlich der tangentialen Verläufe. Weiterhin ist diese Geometrie – im Sinne einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung – ausweislich der 10 und 8 auch in radialer und tangentialer Richtung stetig ableitbar. Eine besondere Ausgestaltung zeigt die 11, wonach die Vertiefung DP auch im Bereich der Begrenzungslinie LL bzw. der Übergang der Bodenfläche FS zu der sonstigen Dichtfläche O2SS nicht nur im Ansatz des Verlaufs stetig ist sondern auch stetig ableitbar ist. Hierzu umfasst die Bodenfläche FS im Schnitt bevorzugt radial mindestens einen Wendepunkt WP. Eine derartige stetige und abgeleitete stetige Geometrie kann zur Minimierung der Verschmutzungsneigung der gesamten Begrenzungslinie LL vorgesehen sein.
Die Begrenzungslinie LL kann in der vorbeschriebenen vereinfachten geometrischen Betrachtungsweise (großer Radius der Begrenzungskante des Dichtrings ist im Verhältnis zu den sonstigen Abmessungen der Vertiefung näherungsweise eine Gerade) dreieckig gestaltet sein bzw. als zwei Halbgeraden, die sich im Winkel α am radial innersten Punkt der Vertiefung DP treffen ausgebildet sein. Eine andere bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass die Begrenzungslinie LL als Geometrie eines Kegelschnitts bzw. Kegelstumpfschnitts ausgebildet ist. Die Begrenzungslinie LL kann als geschlossener Kreis (12) oder als Ellipse (13) oder als Parabel (6, 7) oder als Dreieck (3, 2) ausgebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69019296 T2 [0004]
DE 69204703 T2 [0004]
DE 69303749 T2 [0004]
US 5222743 A1 [0004]
US 6152452 A1 [0004]

Claims

Wellendichtungsanordnung (SSM) mit einer sich entlang einer Achse (X) erstreckenden Welle (SH) und einem Stator (ST), wobei an der Welle (SH) ein rotierender Dichtring (RSR) angeordnet ist und an dem Stator (ST) ein statischer Dichtring (SSR) angeordnet ist, wobei der rotierende Dichtring (RSR) eine rotierende Dichtfläche (RSS) und der stehende Dichtring (SSR) eine stehende Dichtfläche (SSS) aufweist, wobei diese Dichtflächen (2SS) derart angeordnet sind, dass sie sich in einer im Wesentlichen radialen Dichtebene (SPL) dichtend gegenüberstehen, wobei die Wellendichtungsanordnung (SSM) als berührungslose Gasdichtung ausgebildet ist, wobei mindestens eine der Dichtflächen (2SS) eine nicht-rotationssymmetrische Oberflächenkonturierung (SC) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkonturierung (SC) Vertiefungen (DP) in der Dichtfläche (2SS) umfasst, wobei die Vertiefungen (DP) jeweils einer Begrenzungslinie (LL) zu der sonstigen Dichtfläche (O2SS) aufweist und eine mittels der Begrenzungslinie (LL) definierte Bodenfläche (FS) der Vertiefung (DP) einen stetigen radialen Verlauf aufweist, wobei die Vertiefung (DP) an der Begrenzungslinie (LL) mit einer Tiefe von 0 an der sonstigen Dichtfläche (O2SS) ansetzt.
Wellendichtungsanordnung (SSM) nach Anspruch 1, wobei ein stetiger tangentialer Verlauf die Bodenfläche (FS) kennzeichnet.
Wellendichtungsanordnung (SSM) nach Anspruch 1, wobei die Vertiefung (DP) an der Begrenzungslinie (LL) an der sonstigen Dichtungsfläche (O2SS) stetig ansetzt.
Wellendichtungsanordnung (SSM) nach Anspruch 2 oder 1, wobei die Vertiefung (DP) an der Begrenzungslinie (LL) an der sonstigen Dichtfläche (O2SS) unstetig ansetzt.
Wellendichtungsanordnung (SSM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Begrenzungslinie (LL) in der Dichtfläche (2SS) eine geschlossene Linie bildet.
Wellendichtungsanordnung (SSM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Begrenzungslinie (LL) an einer äußeren radialen Begrenzungskante der Dichtfläche (2SS) beginnt und endet.
Wellendichtungsanordnung (SSM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Begrenzungslinie (LL) an einer inneren radialen Begrenzungskante der Dichtfläche (2SS) beginnt und endet.
Wellendichtungsanordnung (SSM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Begrenzungslinie (LL) eine Parabelform aufweist.
Wellendichtungsanordnung (SSM) nach Anspruch 6, wobei die Begrenzungslinie (LL) aus zwei in einem Winkel α zueinander angeordneten geraden Linien besteht.
Wellendichtungsanordnung (SSM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vertiefung (DP) bezüglich einer Axial-Radial-Ebene symmetrisch ist.