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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine drehbeweglich gelagerte Komponente einer Rotationsmaschine mit einem äußeren Dichtring, der zum Abdichten der Komponente umfänglich um diese anordbar ist. Die Dichtungsanordnung weist eine Vielzahl von Labyrinthringen auf, die innenseitig an dem äußeren Dichtring angeordnet sind, wobei die Labyrinthringe radial nach innen vom äußeren Dichtring vorstehen und in einer parallel zu einer Drehachse verlaufenden Richtung derart voneinander beabstandet sind, dass zwischen jeweils zwei Labyrinthringen ein umfänglicher erster Führungskanal für Schmiermittel gebildet ist.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 100 60 656 A1 ist eine Dichtungsanordnung bekannt, die zur Verwendung bei industriellen Rotationsmaschinen, insbesondere Dampf- oder Gasturbinen vorgesehen ist. Die Dichtungsanordnung ist abschnittsweise aus segmentförmigen Teilen gebildet. Im montierten Zustand sind im Wesentlichen zwei Lagerelemente zueinander konzentrisch und drehbeweglich um eine Drehachse angeordnet. Einer der beiden Lagerelemente weist eine Vielzahl von in radialer Richtung vorstehenden, starren Labyrinthringen auf, die entsprechend im zwischen den Lagerelementen gelegenen Zwischenraum eine Vielzahl von Führungskanälen für Schmiermittel definieren.
DE 100 60 656 A1 schlägt weiterhin die Kombination mit einer Bürstendichtung vor, die biegsame Dichtungsborsten aufweist. Es ist vorgesehen, die Borstenlage der Bürstendichtung dadurch anzupassen, dass Druck über einen radial verlaufenden Schlitz zugeführt wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dichtungsanordnung für eine drehbeweglich gelagerte Komponente einer Rotationsmaschine anzugeben, bei der ein Schmiermittelverlust beim Betrieb der Rotationsmaschine minimiert ist.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch die Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Dichtungsanordnung für eine drehbeweglich gelagerte Komponente einer Rotationsmaschine umfasst
- – ein einen Innendurchmesser aufweisenden äußeren Dichtring der zum Abdichten der Komponente umfänglich um diese anordbar ist und
- – eine Vielzahl von Labyrinthringen, die innenseitig an dem äußeren Dichtring angeordnet sind, wobei die Labyrinthringe radial nach innen vom äußeren Dichtring vorstehen und in einer parallel zu einer Drehachse verlaufenden Richtung derart voneinander beabstandet sind, dass zwischen jeweils zwei Labyrinthringen ein umfänglicher erster Führungskanal für Schmiermittel gebildet ist. Zwischen jeweils zwei Labyrinthringen ist somit jeweils ein umfänglicher erster Führungskanal für Schmiermittel gebildet, der radial nach außen vom äußeren Dichtring und in der parallel zur Drehachse verlaufenden axialen Richtung von zwei zueinander benachbart angeordneten Labyrinthringen begrenzt ist.
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Erfindungsgemäß weist der äußere Dichtring zumindest einen, sich in zumindest axialer Richtung erstreckenden zweiten Führungskanal auf, der eine Flussverbindung für Schmiermittel zwischen zumindest zwei umfänglich angeordneten ersten Führungskanälen bereitstellt.
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Es hat sich gezeigt, dass durch die axialen zweiten Führungskanäle eine effektive Rückführung von Schmiermittel ermöglicht ist. Die beim Betrieb der Rotationsmaschine auftretenden Druckunterschiede, die beispielsweise durch die Energieabführung an das Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, oder durch die Umwälzung desselbigen verursacht werden, können so ausgeglichen werden. Dadurch wird die Abdichtung verbessert, da der Entstehung von Druckdifferenzen, die das Schmiermittel nach außen treiben, frühzeitig entgegengewirkt ist. Derartige Dichtungsanordnungen sind insbesondere für schwerkraftabgedichtete Gleitlager für Wellen von Rotationsmaschinen geeignet.
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Vorzugsweise weist der zumindest eine zweite Führungskanal einen Auslass zu einem Maschineninnenraum der Rotationsmaschine auf. Bei Ausführungsbeispielen, die mehrere axiale zweite Führungskanäle aufweisen, führt vorzugsweise lediglich einige wenige zweite Führungskanäle, insbesondere lediglich einer der zweiten Führungskanäle, zum Maschineninnenraum der Rotationsmaschine. Alternativ dazu kann auch ein weiterer Führungskanal vorgesehen sein, der zumindest einen der umfänglichen ersten Führungskanäle mit dem Auslass zum Maschineninnenraum der Rotationsmaschine verbindet
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Besonders bevorzugt ist in jedem der umfänglichen ersten Führungskanäle zumindest ein flächiges Abstreifelement oberhalb einer Öffnung zum zweiten Führungskanal angeordnet, das dazu ausgebildet ist, einen Schmiermittelfluss in den zumindest einen zweiten Führungskanal zu leiten. Die Dichtwirkung von derartigen Ausführungsbeispielen beruht somit auf einer Kombination von berührungslosen Labyrinthdichtungen mit Elementen, die eine hydrodynamische Abdichtung bewirken. Beim Betrieb der Rotationsmaschine entsteht durch die Drehbewegung der drehbeweglich gelagerten Komponente in den ersten Führungskanälen ein Schmiermittelfluss. Dieser Schmiermittelfluss wird von den Abstreifelementen abgebremst. Dabei entsteht im Bereich, der in Rotationsrichtung vor dem jeweiligen Abstreifelement liegt, ein lokaler Überdruck, der einen schmiermittelführenden Luftstrom in den zweiten Führungskanal bewirkt. Im Bereich, der in Rotationsrichtung hinter dem Abstreifelement liegt, entsteht entsprechend ein lokaler Unterdruck.
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Vorzugsweise ist eine Austrittsöffnung des zumindest einen zweiten Führungskanals derart angeordnet, dass diese in Rotationsrichtung hinter dem im jeweiligen ersten Führungskanal angeordneten Abstreifelement liegt. Entsprechend mündet der zweite Führungskanal in den ersten Führungskanal im Bereich des erniedrigten Druckes, so dass einem Zurückströmen des Schmiermittels entgegengewirkt ist.
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Die Abstreifelemente erstrecken sich im Betriebszustand der Rotationsmaschine bis nahezu zu der gegenüberliegenden Komponente. Eine derartige berührungslose Dichtungsanordnung ist insbesondere für den Betrieb bei Rotationsmaschinen mit hohen Umdrehungszahlen geeignet. Zur Montage der Dichtungsanordnung, insbesondere beim Nachrüsten von bestehenden Rotationsmaschinen, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn die Abstreifelemente zunächst am gegenüberliegenden Element, also am äußeren Dichtring, anliegen. Die Abstreifelemente schleifen sich nach kurzer Zeit derart ab, dass diese während des Betriebs berührungslos arbeiten.
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Vorzugsweise verläuft eine Fläche des Abstreifelements gegenüber der radialen Richtung geneigt, um die Rückführung des Schmiermittelflusses bzw. das Einleiten des Schmiermittelflusses in die unterhalb des Abstreifelementes befindliche Öffnung zum zweiten Führungskanal weiter zu verbessern.
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In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die in verschiedenen ersten Führungskanälen angeordneten Abstreifelemente in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet.
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Gemäß besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen sind aneinander angrenzende erste Führungskanäle jeweils paarweise mittels zumindest eines zweiten Führungskanals verbunden, um den von dem Schmiermittel zurückzulegenden Weg zu maximieren. Dies bewirkt eine Erhöhung des Strömungswiderstands und somit eine Verbesserung der Dichtwirkung.
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In Weiterbildung ist vorgesehen, die die aneinander angrenzenden ersten Führungskanäle paarweise verbindendenden zweiten Führungskanäle in Umfangsrichtung voneinander beabstandet anzuordnen. Auch diese Anordnung dient zur weiteren Maximierung des vom Schmiermittel zurückzulegenden Wegs. In Verbindung mit der paarweisen Verbindung von ersten Führungskanälen können hiermit mehrstufige Dichtungen gebildet werden, bei der das Schmiermittel kaskadenähnlich über die einzelnen ersten und zweiten Führungskanäle in Richtung Maschineninnenraum rückführbar ist.
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Dabei sind besonders bevorzugt die zweiten Führungskanäle in Abhängigkeit ihres Abstandes zum Maschineninnenraum in Rotationsrichtung umfänglich derart voneinander beabstandet, dass eine Austrittsöffnung einer der zweiten Führungskanäle in den jeweiligen ersten Führungskanal in Rotationsrichtung hinter einem in dem jeweiligen ersten Führungskanal angeordneten Abstreifelement liegt. In diesem Bereich herrscht ein niedriger Druck vor, der einem ungewollten Zurückströmen des Schmierflusses entgegenwirkt.
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Vorzugsweise ist die Dichtungsanordnung vollständig aus Metall gefertigt. Dichtungselemente aus einem Kunststoff oder einem Elastomer, die insbesondere einen hohen Verschleiß aufweisen, werden vermieden. Insbesondere sind das der äußere Dichtring, die Labyrinthringe und die Abstreifelemente aus Metall gefertigt. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die vorstehend genannten Elemente, insbesondere die Labyrinthdichtringe aus speziellen verschleißarmen Kunststoffen, sogenannten Duroplasten hergestellt. Das Abstreifelement kann beispielsweise in Metallform nachträglich eingebracht werden oder als massive Nocke aus Kunststoff ausgebildet sein.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Dichtungsanordnung mehrere zweite Führungskanäle, die eine Mehrzahl von ersten Führungskanälen, insbesondere mehr als zwei erste Führungskanäle, miteinander verbinden.
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Die zweiten Führungskanäle können als Bohrungen im äußeren Dichtring eingebracht sein. In anderen Ausführungsbeispielen sind die zweiten Führungskanäle als offene Nuten ausgeführt, die die radial vorstehenden Labyrinthringe durchbrechen.
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Zur weiteren Verbesserung der Dichtwirkung sind in bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung mehrere Abstreifelemente bzw. mehrere zweite Führungskanäle vorgesehen, die jeweils beabstandet voneinander und umfänglich um den äußeren Dichtring verteilt angeordnet sind. In jedem ersten Führungskanal sind somit mehrere Abstreifelemente angeordnet, die in regelmäßigen Abständen um den Umfang des äußeren Dichtrings, beispielsweise in Abständen von 120° um die Drehachse verteilt angeordnet sind. Entsprechend ist vorgesehen, jeden ersten Führungskanal mit mehreren zweiten Führungskanälen zu verbinden, die in regelmäßigen Abständen um den Umfang des äußeren Dichtrings, beispielsweise in Abständen von 120° um die Drehachse verteilt angeordnet sind
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Die Erfindung betrifft ferner die Rotationsmaschine, insbesondere eine Turbine, ein Elektromotor oder eine Pumpe, mit der drehbeweglichen Komponente, welche eine der vorstehend beschriebenen Dichtungsanordnungen aufweist. Die drehbeweglich gelagerte Komponente kann insbesondere eine Welle der Rotationsmaschine sein.
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Im Folgenden werden mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1: einen Ausschnitt einer drehbar gelagerten Welle mit einer Dichtungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung;
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2 die Dichtungsanordnung des ersten Ausführungsbeispiels in einer Seitenansicht;
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3 die Dichtungsanordnung des ersten Ausführungsbeispiels in einer längs einer axialen Richtung verlaufenden Schnittdarstellung;
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung, bei dem zweite Führungskanäle der Dichtungsanordnung als Nuten ausgeführt sind;
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Ausschnitt einer Rotationsmaschine 1, die eine drehbar gelagerte Komponente 2 aufweist, welche als Welle ausgeführt ist. Die Welle ist bezüglich eines äußeren Dichtrings 4 drehbar geführt, wobei eine Drehachse R senkrecht zur Zeichenebene verläuft.
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Die äußere Dichtring 4 ist als Teil einer Dichtungsanordnung 6 umfänglich um die Komponente 2 angeordnet. Hierzu weist der äußere Dichtring 4 einen geeigneten Innendurchmesser auf. Ein zwischen dem äußeren Dichtring 4 und der Komponente 2 verlaufender Spaltraum ist durch die berührungslos ausgebildete Dichtungsanordnung 6 abgedichtet, welche eine Vielzahl von radial vorstehenden Labyrinthringe 7 umfasst, die in 2 näher dargestellt sind.
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Die Labyrinthringe 7 bilden im Spaltraum zwischen dem äußeren Dichtring 4 und der Komponente 2 eine Vielzahl von ersten Führungskanälen 8, die sich jeweils in senkrecht zur Drehachse R verlaufenden Ebenen erstrecken. Die Labyrinthringe 7 sind, wie im Detail in 3 gezeigt, als starre, in radialer Richtung vom äußeren Dichtring 4 vorstehende Labyrinthringe 7 ausgebildet. Jede der sich in Umfangsrichtung erstreckenden ersten Führungskanäle 8 sind somit radial außenseitig, wie in 1 gezeigt, vom äußeren Dichtring 4 begrenzt. In axialer Richtung ist jeder erste Führungskanal 8 von zueinander benachbart angeordneten Labyrinthringen 7 begrenzt.
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Am äußeren Dichtring 4 sind, wie in 2 dargestellt, mittels Befestigungsschrauben 9 mehrere flächige Abstreifelemente 10 befestigt, die jeweils abschnittsweise in die ersten Führungskanäle 8 hineinragen. Die Abstreifelemente 10 befinden sich jeweils im Bereich von Öffnungen 3, die jeweils in zweite Führungskanäle 8 münden und sind gegenüber einer radialen Richtung geneigt angeordnet.
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Beim Betrieb der Rotationsmaschine 1 wird ein von der Rotation der Komponente 2 innerhalb der ersten Führungskanäle 8 bewirkter Schmiermittelfluss von den Abstreifelementen 10 abgebremst. Im Bereich der Öffnungen 3 entsteht so ein erhöhter Druck. Dies führt zu einem Schmiermittel führenden Luftstrom, der in die zweiten Führungskanäle 11 eingeleitet wird. Die zweiten Führungskanäle 11 erstrecken sich parallel zur Drehachse R und verbinden jeweils zwei erste Führungskanäle 8 paarweise miteinander. Jeder zweite Führungskanal 11 weist eine Austrittsöffnung 5 auf, die den Schmiermittelfluss in den ersten Führungskanal 8 einleitet. Die Austrittsöffnungen 5 sind hierzu jeweils in Rotationsrichtung D hinter den Abstreifelementen 10 angeordnet. In diesen Bereichen herrscht ein geringerer Druck vor, so dass ein Rückfluss von Schmiermittel in die jeweiligen zweiten Führungskanäle 11 reduziert ist.
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Der äußere Dichtring 4 weist mehrere zweite Führungskanäle 11 auf, die in axialer Richtung verlaufen und jeweils zwei benachbart angeordnete erste Führungskanäle 8 miteinander verbinden. Die ersten Führungskanäle 8 sind jeweils paarweise von einem zweiten Führungskanal 11 verbunden. Ein weiterer zweiter Führungskanal 15 verbindet einen der umfänglichen ersten Führungskanäle 8 mit einem Auslass 12 zu einem Maschineninnenraum der Rotationsmaschine 1. Sowohl die in den unterschiedlichen ersten Führungskanälen 8 angeordneten Abstreifelemente 10 als auch die zweiten Führungskanäle 11 sind in Umfangsrichtung zueinander beabstandet angeordnet. Die kaskadenähnliche Anordnung entspricht einer mehrstufigen Dichtung, bei der der Schmiermittelfluss stufenweise über jeweils den ganzen Umfang der einzelnen ersten Führungskanäle 8 geführt wird, während dieser bei Betrieb der Rotationsmaschine 1 in Richtung des Maschineninnenraums gefördert wird.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung durch die Dichtungsanordnung 6. Die Lage der gezeigten Schnittebene III, verläuft, wie in 2 gezeigt, parallel zur axialen Richtung. Zwei der von den Labyrinthringen 7 gebildeten, in Umfangsrichtung verlaufenden ersten Führungskanäle 8 sind mittels des zweiten Führungskanals 11 verbunden, der im äußeren Dichtring 4 eingebracht ist. Der gezeigte zweite Führungskanal 11 ist endseitig mittels einer Verschlussschraube 13 verschlossen. Während des Betriebs der Rotationsmaschine 1 bewirkt das Abstreifelement 10 eine Rückführung von Schmiermittel, indem Schmiermittel in den zweiten Führungskanal 11 geleitet wird. Der Schmiermittel führende Fluss 14 durch einen der zweiten Führungskanäle 11 ist in 3 schematisch durch Pfeile dargestellt.
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4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Dichtungsanordnung 6, das zum Abdichten einer als Welle ausgeführten Komponente 2 der Rotationsmaschine 1 dient. Die Rotationsmaschine 1 ist hier Teil einer Pumpe eines Kraftwerks. Entsprechend bildet die Dichtungsanordnung 6 ein schwerkraftabgedichtetes Gleitlager, das einen Öl führenden Maschineninnenraum 16, der von einem Gehäuseteil 17 der Rotationsmaschine 1 begrenzt ist, gegenüber einem Außenraum abdichtet.
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Die als Welle ausgebildete Komponente 2 weist einen Schulterbereich 18 auf, der in an sich bekannter Art und Weise mittels eines Lagers 19 drehbeweglich gelagert ist. Zum Zuführen von Schmiermittel ist ein Ölförderring 20 vorgesehen, welcher Öl aus dem darunter liegenden Ölbad fördert.
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Die zur Abdichtung vorgesehene Dichtungsanordnung 6 entspricht im Wesentlichen der Dichtungsanordnung 6 des ersten Ausführungsbeispiels, so dass auf die diesbezügliche Beschreibung verwiesen wird. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind die zweiten Führungskanäle 11 der in 4 gezeigten Dichtungsanordnung 6 als offene Nuten ausgeführt, die eine Mehrzahl der Labyrinthringe 7 durchbrechen.
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Die Erfindung wurde vorstehend mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die konkrete Ausgestaltung der gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr kann der zuständige Fachmann anhand der Beschreibung Variationen ableiten ohne von dem wesentlichen Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotationsmaschine
- 2
- Komponente
- 3
- Öffnung
- 4
- äußerer Dichtring
- 5
- Austrittsöffnung
- 6
- Dichtungsanordnung
- 7
- Labyrinthring
- 8
- erster Führungskanal
- 9
- Befestigungsschraube
- 10
- Abstreifelement
- 11
- zweiter Führungskanal
- 12
- Auslass
- 13
- Verschlussschraube
- 14
- Fluss
- 15
- weiterer zweiter Führungskanal
- 16
- Maschineninnenraum
- 17
- Gehäuseteil
- 18
- Schulterbereich
- 20
- Ölförderring
- R
- Drehachse
- D
- Rotationsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10060656 A1 [0002, 0002]
