DE102017129027A1 - Dichtungssystem für die Abdichtung eines geschmierten Wellenlagers eines Verdichters - Google Patents

Dichtungssystem für die Abdichtung eines geschmierten Wellenlagers eines Verdichters Download PDF

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Abstract

Dichtungssystem (10) für die Abdichtung eines geschmierten Wellenlagers (12) eines Verdichters, mit einer Wellendichtung (16) welche axial zwischen einem Laufrad (20) des Verdichters und dem Wellenlager (12) angeordnet ist, einem Druckausgleichkanal (18), wobei der Druckausgleichkanal (18) axial zwischen der Wellendichtung (16) und der dem Laufrad (20) zugewandten axialen Frontseite des Wellenlagers (12) startet und sich zumindest bis zu der dem Laufrad (20) abgewandten axialen Rückseite des Wellenlagers (12) erstreckt und die beiden axialen Wellenlagerseiten strömungstechnisch verbindet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Dichtungssystem für die Abdichtung eines geschmierten Wellenlagers eines Verdichters, mit einer Wellendichtung welche axial zwischen einem Laufrad des Verdichters und dem Wellenlager angeordnet ist und einem Druckausgleichkanal.
  • Bei Turboverdichtern mit einem rotierenden Laufrad, wie sie beispielsweise in Turboladern für Kraftfahrzeuge verwendet werden, ist die erzielte Verdichtung direkt proportional zur Drehzahl des Laufrads. Turboverdichter werden daher häufig bei sehr hohen Drehzahlen betrieben, was besonders reibungsarme Rotorwellenlager erforderlich macht. Hierfür werden insbesondere Wälzlager verwendet, welche mit einem geeigneten Schmiermittel, beispielweise Öl oder Fett, geschmiert sind.
  • Auf Grund des Druckgefälles zwischen einem Verdichterraum des Verdichters, durch welchen ein Fördergas gefördert und dabei verdichtet wird, und einem Antriebsraum, in welchem der Antrieb des Verdichters angeordnet ist und welcher im Allgemeinen näherungsweise Atmosphärendruck aufweist, wird eine Strömung in Richtung des Antriebsraums erzeugt. In der Regel ist zumindest ein Wellenlager zur Lagerung der Rotorwelle, welche das Laufrad mit dem Antrieb verbindet, zwischen dem Verdichterraum und dem Antriebsraum angeordnet, sodass es auf Grund des Druckgefälles zu einem Durchströmen des Wellenlagers kommen kann. Hierdurch kann zum einen das Schmiermittel aus dem Lager gespült werden, und zum anderen können Verunreinigungen, beispielsweise im Fördergas enthaltene Partikel, in das Wellenlager eingebracht werden. Sowohl das Ausspülen des Schmiermittels aus dem Lager als auch eine Verunreinigung des Lagers verschlechtern die Reibeigenschaften des Lagers und können zu einer Beschädigung des Lagers führen.
  • Aus der EP 0 993 553 B1 ist ein Dichtungssystem bekannt, welches zur Abdichtung zwischen einem Verdichterraum und einem ölgeschmierten Wellenlager eine Labyrinthspaltdichtung und eine Lippenringdichtung aufweist. Zwischen der Labyrinthspaltdichtung und der Lippenringdichtung ist eine Ringnut vorgesehen. Die Labyrinthspaltdichtung ist zwischen der Ringnut und dem Verdichterraum angeordnet und die Lippenringdichtung ist zwischen der Ringnut und dem Wellenlager angeordnet. Die Ringnut ist über einen Druckausgleichskanal strömungstechnisch mit der Atmosphäre außerhalb des Verdichtergehäuses verbunden, wodurch das Druckgefälle über dem Wellenlager reduziert wird.
  • Aus der DE 10 2015 106 640 A1 ist ein Dichtungssystem bekannt, welches zur Abdichtung eines geschmierten Wellenlagers gegenüber einem Verdichterraum eine Gleitringdichtung vorsieht, welche zwischen dem Wellenlager und dem Verdichterraum angeordnet ist. Zusätzlich sind ein frontseitiges und ein rückseitiges Lagerdichtmittel zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wellenlagers vorgesehen. Die Gleitringdichtung umfasst zwei gegenüberliegende Dichtringe, welche sich relativ zueinander bewegen und einen Zwischenraum bilden, der strömungstechnisch über einen Druckausgleichskanal mit der Atmosphäre außerhalb des Verdichtergehäuses verbunden ist, wodurch das Druckgefälle über dem Wellenlager reduziert wird.
  • Es hat sich jedoch herausgestellt, dass durch die vorgeschlagenen Dichtungssysteme ein Durchströmen des Wellenlagers und somit ein Ausspülen des Lagerschmiermittels und ein Einbringen von Verunreinigung in das Lager nicht vollständig verhindert werden kann.
  • Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Dichtungssystem für die Abdichtung eines geschmierten Wellenlagers eines Verdichters zu schaffen, mit dem ein Durchströmen des Wellenlager und somit ein Ausspülen des Lagerschmiermittels und ein Einbringen von Verunreinigung in das Lager zuverlässig vermieden werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Dichtungssystem für die Abdichtung eines geschmierten Wellenlagers eines Verdichters mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass der Druckausgleichkanal axial zwischen der Wellendichtung und der dem Laufrad zugewandten axialen Frontseite des Wellenlagers startet und sich zumindest bis zu der dem Laufrad abgewandten axialen Rückseite des Wellenlagers erstreckt und die beiden axialen Wellenlagerseiten strömungstechnisch verbindet findet ein Druckausgleich zwischen den beiden Wellenlagerseiten statt. Hierdurch wird ein Druckgefälle über dem Wellenlager verhindert und somit ein Durchströmen des Wellenlagers zuverlässig vermieden.
  • Vorzugweise mündet der Druckausgleichkanal in einen Antriebsraum des Verdichters. Hierdurch wird ein Druckaufbau in der Umgebung des Wellenlagers vermieden, durch welchen Verunreinigungen in das Lager getrieben werden könnten. Hierbei gelangt über den Druckausgleichkanal kein potentiell gefährliches Fördergas aus dem Verdichtergehäuse heraus und gelangen über den Druckausgleichkanal auch keine Verunreinigungen in das Verdichtergehäuse hinein.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Wellendichtung einen Lippendichtring auf. Der Lippendichtring erlaubt eine einfache und kostengünstige Ausführung der Wellendichtung, welche gerade bei hohen Wellendrehzahlen und den daraus resultierenden hohen Förderdrücken eine zuverlässige Abdichtung ermöglicht. Auf Grund seiner Form wird der Lippendichtring durch den anliegenden Förderdruck gegen entsprechende Dichtflächen gedrückt, wodurch sich mit zunehmendem Förderdruck die Dichtwirkung des Lippendichtrings verbessert.
  • Besonders bevorzugt besteht der Lippendichtring aus PTFE. PTFE ist besonders chemikalienbeständig, ist in einem breiten Temperaturbereich einsetzbar und weist sehr gute Gleiteigenschaften auf. Dies erlaubt eine besonders zuverlässige und reibungsarme Ausführung der Wellendichtung.
  • Vorzugsweise weist die Wellendichtung einen Stützring mit zwei Stützringschenkeln auf, wobei der erste Stützringschenkel den Lippendichtring radial umgibt und der zweite Stützringschenkel an dem dem Wellenlager zugewandten axialen Ende des ersten Stützringschenkels angeordnet ist und axial von der dem Wellenlager zugewandten Seite an dem geschlossenen Ende des Lippendichtrings anliegt. Durch den Stützring wird der Lippendichtring insbesondere axial gestützt, wodurch eine axiale Bewegung des Lippendichtrings verhindert wird. Dadurch, dass der Lippendichtring mit dem geschlossenen Ende in Richtung des Wellenlagers angeordnet ist, nimmt seine Dichtwirkung mit steigendem Betriebsdruck zu. Dies ermöglicht eine zuverlässige Abdichtung auch bei einem hohen Betriebsdruck des Verdichters.
  • Vorteilhafterweise weist der erste Stützringschenkel an seinem dem Laufrad zugewandten axialen Ende einen radial nach innen gerichteten Vorsprung auf, an dem der radial äußere Lippendichtringschenkel axial anliegt. Hierdurch wird ein Umströmen des Lippendichtrings erschwert und somit die Dichtwirkung der Wellendichtung verbessert.
  • Vorzugsweise besteht der Stützring aus einem Metall, welches eine hohe chemische und thermische Beständigkeit aufweist.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Wellenlager ein Wälzlager. Wälzlager weisen eine sehr geringe Reibung auf und eignen sich daher besonders gut für die Lagerung von sehr schnell drehenden Wellen.
  • Besonders bevorzugt ist das Wellenlager ein Rillenkugellager, welches neben der radialen Lagerung der Welle auch ein axiales Stützen der Welle ermöglicht. Hierdurch kann auf zusätzliche axiale Rotorwellenlagerelemente verzichtet werden.
  • Vorteilhafterweise weist das Wellenlager auf der dem Laufrad zugewandten Frontseite ein frontseitiges Lagerdichtmittel auf, welches einen frontseitigen Spalt zwischen einem Innenring des Lagers und einem Außenring des Wellenlagers abdichtet und somit ein direktes Anströmen der geschmierten Kugeln oder Walzen verhindert. Hierdurch kann ein Austreten des Dichtmittels aus dem Wellenlager sowie ein Eindringen von Verunreinigung in das Wellenlager minimiert werden.
  • Vorzugsweise besteht das frontseitige Lagerdichtmittel aus einem Elastomer, welches auf Grund seiner elastischen Verformbarkeit eine besonders gute Abdichtung des Spalts zwischen dem Innenring und dem Außenring des Wellenlagers ermöglicht.
  • In einer vorteilhaften Ausführung weist das Wellenlager auf der dem Laufrad abgewandten Rückseite ein rückseitiges Lagerdichtmittel auf, welches einen rückseitigen Spalt zwischen dem Innenring des Wellenlagers und dem Außenring des Wellenlagers abdichtet. Hierdurch kann ein Austreten des Dichtmittels aus dem Wellenlager sowie ein Eindringen von Verunreinigung in das Wellenlager an der Lagerrückseite minimiert werden.
  • Vorzugsweise besteht das rückseitige Lagerdichtmittel aus einem Metall. Dies ermöglicht eine besonders verschleißarme und reibungsarme Ausführung des rückseitigen Dichtelements.
  • Besonders bevorzugt weist das rückseitige Lagerdichtmittel an dem dem Innenring zugewandten radialen Ende einen axial in Richtung des Laufrads weisenden Vorsprung auf, welcher bei einem Überdruck auf der dem Laufrad zugewandten Seite des Lagerdichtmittels gegen den Innenring gedrückt wird und somit ein Austreten des Lagerschmiermittels aus dem Wellenlager verhindert.
  • Vorteilhafterweise ist das Lagerdichtmittel im statischen Außenring des Wellenlagers gelagert und liegt an dem mit der Rotorwelle drehfest verbundenen Innenring an oder weist ein geringes Spiel zum Innenring auf. Hierdurch wird die mechanische Belastung des Lagerdichtmittels minimiert, da sich das Lagerdichtmittel bei dieser Anordnung nicht mit dem Innenring mit dreht.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungssystems für die Abdichtung eines geschmierten Wellenlagers eines Verdichters wird nachfolgend anhand der beigefügten Figur beschrieben, wobei die Figur einen Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Dichtungssystems für die Abdichtung eines Wellenlagers eines Verdichters zeigt.
  • Die Figur zeigt ein Dichtungssystem 10 zur Abdichtung eines geschmierten Wellenlagers 12 welches die Rotorwelle 14 eines Verdichters lagert. Das Dichtungssystem umfasst eine Wellendichtung 16 und einen Druckausgleichkanal 18. Die Wellendichtung 16 ist axial zwischen einem Verdichterraum 19 des Verdichters und dem Wellenlager 12 angeordnet. In dem Verdichterraum 19 ist ein Laufrad 20 angeordnet um ein Fördergas durch den Verdichterraum 19 zu fördern und dabei zu verdichten.
  • Die Wellendichtung 16 umfasst einen Lippendichtring 22, einen Stützring 24 und einen Gleitring 30. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Lippendichtring 22 U-förmig und besteht aus PTFE. Der Stützring 24 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Metall und weist einen axialen Stützringschenkel 26, der den Lippendichtring 22 radial umgibt, und einen radialen Stützringschenkel 28, der von der dem Wellenlager 12 zugewandten Seite axial an dem Lippendichtring 22 anliegt, auf. Der Stützring 24 liegt mit der radialen Außenseite des axialen Stützringschenkels 26 an einem statischen Verdichtergehäuse 32 an. Der Gleitring 30 ist drehfest mit der Rotorwelle 14 verbunden und wird axial durch das Laufrad 20 und das Wellenlager 12 gestützt. Der Stützring 24 weist an dem zum Laufrad 20 weisenden axialen Ende des axialen Stützringschenkels 26 einen radial nach innen gerichteten Vorsprung 27 auf, an dem der radial außenliegende Lippendichtringschenkel 23 axial von der dem Wellenlager 12 zugewandten Seite anliegt.
  • Der U-förmige Lippendichtring 22 ist mit der Öffnung in Richtung des Laufrads 20 weisend radial zwischen dem Stützring 24 und dem Gleitring 30 angeordnet. Der Lippendichtring 22 liegt mit dem radial außenliegenden Lippendichtringschenkel 23 radial an der radialen Innenseite des axialen Stützringschenkels 26 an, liegt mit dem radial innenliegenden Lippendichtringschenkel 25 radial an der radialen Außenseite des Gleitring 30 an, und liegt mit einem bogenförmigen Lippendichtringabschnitt, welcher ein geschlossenes Ende 29 des Lippendichtrings 22 bildet, axial an der zum Laufrad 20 weisenden Seite des radialen Stützringschenkels 28 des Stützrings 24 an.
  • Der Druckausgleichkanal 18 startet axial zwischen der Wellendichtung 16 und einem frontseitigen Wellenlagerraum 34, welcher die dem Laufrad 20 zugewandte axiale Frontseite des Wellenlagers 12 teilweise umgibt. Der Druckausgleichkanal 18 erstreckt axial sich bis zu einem rückseitigen Wellenlagerraum 36, welcher die dem Laufrad 20 abgewandte axiale Rückseite des Wellenlagers 12 teilweise umgibt und in einen Antriebsraum 38 des Verdichters mündet, welcher näherungsweise atmosphärischen Druck aufweist. Der Druckausgleichkanal 18 verbindet somit den frontseitigen Wellenlagerraum 34 und den rückseitigen Wellenlagerraum 36 strömungstechnisch, sodass beide Wellenlagerräume 34,36 einen gleichen Druck aufweisen, welcher näherungsweise dem atmosphärischen Druck entspricht.
  • Das Wellenlager 12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Rillenkugellager mit einem Innenring 40 und einem Außenring 42. Der Innenring 40 ist drehfest mit der Rotorwelle 14 verbunden und wird auf der dem Laufrad 20 zugewandten Seite axial durch den Gleitring 30 und auf der vom Laufrad 20 abgewandten Seite axial durch einen radialen Rotorwellenabsatz 44 gestützt. Der Außenring 42 wird auf der radialen Außenseite und auf der axialen Frontseite durch das Verdichtergehäuse 32 gestützt. Zur Abdichtung des radialen Spaltes zwischen dem Innenring 40 und dem Außenring 42 ist an der Frontseite des Wellenlagers 12 ein frontseitiges Lagerdichtmittel 46 und an der Rückseite des Wellenlagers 12 ein rückseitiges Lagerdichtmittel 48 vorgesehen.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das frontseitige Lagerdichtmittel 46 ein aus einem Elastomer bestehender Dichtring 50, welcher am radial äußeren Ende eine Wulst 52 aufweist und am radial inneren Ende einen Dichtfuß 54 aufweist. Das frontseitige Lagerdichtmittel 46 ist mit der Wulst 52 in einer frontseitigen Ringnut 56 des Außenrings 42 gelagert und liegt mit dem Dichtfuß 54 radial an der radialen Außenseite des Innenrings 40 an.
  • Das rückseitige Lagerdichtmittel 48 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine aus einem Metall bestehende Dichtscheibe 58 die am radial äußeren Ende eine kragenförmige Anpassung 60 und am radial inneren Ende einen in Richtung des Laufrads 20 weisenden axialen Vorsprung 62 aufweist. Das rückseitige Lagerdichtmittel 48 ist mit der kragenförmigen Anpassung 60 in einer rückseitigen Ringnut 64 des Außenrings 42 gelagert. Der axiale Vorsprung 62 weist im unbelasteten Zustand der rückseitigen Lagerdichtung 48 ein geringes Spiel zur radialen Außenseite des Innenrings 40 auf und wird bei einem Überdruck im Inneren des Wellenlagers 12 in Kontakt mit dem Innenring 40 gebracht.
  • Das erfindungsgemäße Dichtungssystem für die Abdichtung eines geschmierten Wellenlagers eines Verdichters stellt über den Druckausgleichkanal einen Druckausgleich zwischen der Frontseite und der Rückseite des Wellenlagers sicher, wodurch ein Druckgefälle über dem Wellenlager und somit ein Durchströmen des Wellenlagers vermieden wird. Hierdurch werden ein Ausspülen des Schmiermittels aus dem Wellenlager und ein Einbringen von Verunreinigungen in das Wellenlager verhindert. Dies ermöglicht eine gleichbleibend gute Reibung des Wellenlagers und somit eine lange Lebensdauer.
  • Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere kann eine andere Wellendichtung oder ein anderes Wälzlager verwendet werden. Ferner kann auf die strömungstechnische Verbindung mit dem Antriebsraum verzichtet werden, da bereits durch die strömungstechnische Verbindung der beiden Wellenlagerseiten ein Druckgefälle über dem Wellenlager vermieden wird. Da ein Druckgefälle am Wellenlager vermieden wird, kann bei entsprechender Viskosität des Wellenlagerschmiermittels auch auf die Wellenlagerdichtungen verzichtet werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Dichtungssystem
    12
    Wellenlager
    14
    Rotorwelle
    16
    Wellendichtung
    18
    Druckausgleichkanal
    19
    Verdichterraum
    20
    Laufrad
    22
    Lippendichtring
    23
    radial außenliegender Lippendichtringschenkel
    24
    Stützring
    25
    radial innenliegender Lippendichtringschenkel
    26
    axialer Stützringschenkel
    27
    radialer Vorsprung
    28
    radialer Stützringschenkel
    29
    geschlossenes Lippendichtringende
    30
    Gleitring
    32
    Verdichtergehäuse
    34
    frontseitiger Wellenlagerraum
    36
    rückseitiger Wellenlagerraum
    38
    Antriebsraum
    40
    Innenring
    42
    Außenring
    44
    radialer Rotorwellenabsatz
    46
    frontseitiges Lagerdichtmittel
    48
    rückseitiges Lagerdichtmittel
    50
    Dichtring
    52
    Wulst
    54
    Dichtfuß
    56
    frontseitige Ringnut
    58
    Dichtscheibe
    60
    kragenförmige Anpassung
    62
    axialer Vorsprung
    64
    rückseitige Ringnut
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0993553 B1 [0004]
    • DE 102015106640 A1 [0005]

Claims (15)

  1. Dichtungssystem (10) für die Abdichtung eines geschmierten Wellenlagers (12) eines Verdichters, mit einer Wellendichtung (16) welche axial zwischen einem Laufrad (20) des Verdichters und dem Wellenlager (12) angeordnet ist, einem Druckausgleichkanal (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichkanal (18) axial zwischen der Wellendichtung (16) und der dem Laufrad (20) zugewandten axialen Frontseite des Wellenlagers (12) startet und sich zumindest bis zu der dem Laufrad (20) abgewandten axialen Rückseite des Wellenlagers (12) erstreckt und die beiden axialen Wellenlagerseiten strömungstechnisch verbindet.
  2. Dichtungssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichkanal (18) in einen Antriebsraum (38) des Verdichters mündet.
  3. Dichtungssystem (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellendichtung (16) einen Lippendichtring (22) aufweist.
  4. Dichtungssystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lippendichtring (22) aus PTFE besteht.
  5. Dichtungssystem (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellendichtung (16) einen Stützring (24) mit zwei Stützringschenkeln (26,28) aufweist, wobei der erste Stützringschenkel (26) den Lippendichtring (22) radial umgibt und der zweite Stützringschenkel (28) an dem dem Wellenlager (12) zugewandten axialen Ende des ersten Stützringschenkels (26) angeordnet ist und axial von der dem Wellenlager (12) zugewandten Seite an einem geschlossenen Ende (29) des Lippendichtrings (22) anliegt.
  6. Dichtungssystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stützringschenkel (26) an seinem dem Laufrad (20) zugewandten axialen Ende einen radial nach innen gerichteten Vorsprung (27) aufweist, an dem der radial äußere Lippendichtringschenkel (23) axial anliegt.
  7. Dichtungssystem (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (24) aus einem Metall besteht.
  8. Dichtungssystem (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (12) ein Wälzlager ist.
  9. Dichtungssystem (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (12) ein Rillenkugellager ist.
  10. Dichtungssystem (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (12) auf der dem Laufrad (20) zugewandten Frontseite ein frontseitiges Lagerdichtmittel (46) aufweist, welches einen Spalt zwischen einem Innenring (40) des Wellenlagers (12) und einem Außenring (42) des Wellenlagers (12) abdichtet.
  11. Dichtungssystem (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das frontseitige Lagerdichtmittel (46) aus einem Elastomer besteht.
  12. Dichtungssystem (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (12) auf der dem Laufrad (20) abgewandten Rückseite ein rückseitiges Lagerdichtmittel (48) aufweist, welches den Spalt zwischen dem Innenring (40) des Wellenlagers (12) und dem Außenring (42) des Wellenlagers (12) abdichtet.
  13. Dichtungssystem (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das rückseitige Lagerdichtmittel (48) aus einem Metall besteht.
  14. Dichtungssystem (10) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das rückseitige Lagerdichtmittel (48) an dem dem Innenring (40) zugewandten radialen Ende einen axial in Richtung des Laufrads (20) weisenden Vorsprung (62) aufweist.
  15. Dichtungssystem (10) nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerdichtmittel (46,48) im Außenring (42) des Wellenlagers (12) gelagert ist.
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