DE102020209287A1

DE102020209287A1 - Dichtungsanordnung mit großem Spiel

Info

Publication number: DE102020209287A1
Application number: DE102020209287.7A
Authority: DE
Inventors: Jared Daniel Manry
Original assignee: Kaydon Ring and Seal Inc
Current assignee: Kaydon Ring and Seal Inc
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2020-07-23
Publication date: 2021-02-04
Also published as: GB2587881A; US20210033194A1; US11287043B2; CN112303234A; GB202010393D0; GB2587881B

Abstract

Eine Dichtungsanordnung umfasst eine Dichtung, die um die Welle angeordnet ist und einen ringförmigen Körper mit einer radialen Dichtfläche und einer innere Umfangsdichtfläche hat, die mit der Welle eingreifbar ist. Ein Gehäuse ist um die Welle angeordnet und hat eine erste innere Umfangsfläche, die eine erste ringförmige Kammer um die Welle definiert, wobei die Dichtung in der ersten ringförmigen Kammer angeordnet ist, eine zweite innere Umfangsfläche, die radial nach innen von der ersten Umfangsfläche beabstandet ist und von der Außenfläche der Welle durch ein radiales Spiel beabstandet ist, um eine zweite ringförmige Kammer zu definieren. Eine radiale Dichtkontaktfläche erstreckt sich radial zwischen der ersten und der zweiten inneren Umfangsfläche und ist dichtend durch die Dichtfläche der Dichtung eingreifbar, um einen Fluss zwischen den zwei Kammern zu verhindern, und eine Umfangsdrucknut oder Umfangsdrucknuten sind in der Dichtkontaktfläche gebildet und sind fluidisch mit der ersten Kammer gekoppelt.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft Dichtungen und insbesondere umfänglich „angehobene“ Dichtungen für Turbomaschinen und ähnliche Anwendungen.
Umfangsdichtungen sind bekannt und umfassen typischerweise einen ringförmigen Ring mit einer Innenfläche, die um eine rotierende Welle herum dichtet, und eine axiale Endfläche, die gegen eine anliegende Gehäusefläche dichtet. Bestimmte Umfangsdichtungen umfassen einen segmentierten Körper mit Anhubrampen, die auf der Dichtungsinnenfläche gebildet sind, die die Segmente der Dichtung veranlassen, sich radial nach außen während des dynamischen Betriebs zu verschieben, um Reibung zwischen der Welle und der Dichtung zu reduzieren. Bei anderen Anwendungen ist die Dichtung als ein massiver ringförmiger Ring gebildet, der mit einem Innendurchmesser bemessen ist, der größer als ein Wellenaußendurchmesser ist, so dass die Dichtung auf einem Fluidfilm zwischen der Welle und der Dichtung „reitet“. In jedem Fall kann ein Wellenversatz die Leistungsfähigkeit der Dichtung negativ beeinflussen.
Zusammenfassung der Erfindung
Bei einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung eine Dichtungsanordnung zum Dichten um eine Welle, die um eine Mittelachse rotierbar ist, wobei die Welle eine äußere Umfangsfläche hat. Die Dichtungsanordnung umfasst eine Dichtung, die um die Welle herum angeordnet ist und einen im Allgemeinen ringförmigen Körper umfasst. Der ringförmige Körper hat ein erstes axiales Ende, ein gegenüberliegendes zweites axiales Ende, eine im Allgemeinen radiale Dichtfläche an dem ersten axialen Ende, und eine innere Umfangsdichtfläche, die dichtend mit der äußeren Umfangsdichtfläche der Welle eingreifbar ist. Ein Gehäuse ist um die Welle herum angeordnet und hat eine erste innere Umfangsfläche, die eine erste ringförmige Kammer um die Welle definiert, wobei die Dichtung innerhalb der ersten ringförmigen Kammer angeordnet ist, und eine zweite innere Umfangsfläche, die radial nach innen von der ersten inneren Umfangsfläche beabstandet ist und von der Außenfläche der Welle durch ein radiales Spiel beabstandet ist, um so eine zweite ringförmige Kammer zu definieren. Ferner erstreckt sich eine radiale Dichtkontaktfläche radial zwischen der ersten inneren Umfangsfläche und der zweiten inneren Umfangsfläche, wobei die radiale Dichtfläche der Dichtung dichtend mit der Dichtkontaktfläche des Gehäuses eingreifbar ist, um einen Fluss zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer zu verhindern. Zumindest eine umfängliche Drucknut ist in der Dichtkontaktfläche des Gehäuses gebildet, wobei die Drucknut fluidisch mit der ersten ringförmigen Kammer gekoppelt ist.
Bei einem anderen Aspekt ist die vorliegende Erfindung wiederum eine Dichtungsanordnung zum Dichten um eine Welle, die um eine Mittelachse rotierbar ist, wobei die Welle eine äußere Dichtungsfläche hat. Die Dichtungsanordnung umfasst eine Dichtung, die um die Welle herum angeordnet ist und mehrere bogenförmige Körpersegmente umfasst. Jedes bogenförmige Körpersegment hat ein erstes Umfangsende und ein gegenüberliegendes zweites Umfangsende, wobei das zweite Umfangsende mit dem ersten Umfangsende eines benachbarten Segments gekoppelt ist, so dass die mehreren Körpersegmente zusammen einen im Allgemeinen ringförmigen Dichtungskörper bilden. Der Dichtungskörper hat ein erstes axiales Ende, ein gegenüberliegendes zweites axiales Ende, eine im Allgemeinen radiale Dichtfläche an dem ersten axialen Ende und eine innere Umfangsdichtfläche, die mit der äußeren Umfangsfläche der Welle dichtend eingreifbar ist. Ein Gehäuse ist um die Welle herum angeordnet und hat eine erste innere Umfangsfläche, die eine erste ringförmige Kammer um die Welle herum definiert, wobei die Dichtung in der ersten Umfangskammer angeordnet ist, und eine zweite innere Umfangsfläche, die radial nach innen von der ersten inneren Umfangsfläche beabstandet ist und von der äußeren Fläche der Welle durch ein radiales Spiel beabstandet ist, um eine zweite ringförmige Kammer zu definieren. Ferner erstreckt sich eine radiale Dichtkontaktfläche radial zwischen der ersten inneren Umfangsfläche und der zweiten inneren Umfangsfläche, wobei die Dichtfläche der Dichtung mit der Dichtkontaktfläche des Gehäuses eingreifbar ist, um einen Fluss zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer zu verhindern. Zumindest eine umfängliche Drucknut ist in der Dichtkontaktfläche gebildet, wobei die Drucknut fluidisch mit der ersten riangförmigen Kammer verbunden ist.
Figurenliste
Sowohl die voranstehende Zusammenfassung als auch die ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn sie in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen gelesen werden. Für Darstellungszwecke der Erfindung sind in den beispielhaften Zeichnungen Ausführungsformen gezeigt, die vorliegend bevorzugt werden. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die genaue Anordnung und die gezeigten Instrumente begrenzt ist. In den Zeichnungen ist:

1 eine aufgebrochene axiale Querschnittsansicht der Dichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Dichtung, ein Gehäuse und eine Welle in einer allgemeinen koaxialen Anordnung zeigt;
2 eine andere Ansicht der Dichtung der 1, die einen radialen Versatz oder Verschiebung zwischen der rotierbaren Welle und dem feststehenden Gehäuse zeigt;
3 eine aufgebrochene vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der 1;
4 eine andere aufgebrochene axiale Querschnittsansicht der Dichtungsanordnung, die eine Vorspannfeder und eine Federplatte zeigt;
5 eine aufgebrochene Seitenansicht der Dichtungsanordnung, die die Dichtung primär in dem Gehäuse versteckt zeigt;
6 eine Seitenansicht auf eine segmentierte Dichtung;
7 eine axiale Querschnittsansicht, die entlang der Linie 7-7 der 6 gezeigt ist;
8 eine Seitenansicht auf eine massive Ringdichtung;
9 eine Seitenansicht eines Gehäuses der Dichtungsanordnung;
10 eine aufgebrochene vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der 9; und
11 eine axiale Querschnittsansicht, die entlang der Linie 11-11 der 9 genommen ist.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Bestimmte Begrifflichkeiten werden in der folgenden Beschreibung nur der Einfachheit halber verwendet und sind nicht einschränkend. Die Worte „innen“, „nach innen“ und „außen“, „nach außen“ bezeichnen Richtungen in Richtung zu bzw. weg von einer gedachten Mittellinie oder einem geometrischen Mittelpunkt eines beschriebenen Elements, wobei die bestimmte Bedeutung sofort aus dem Kontext der Beschreibung offensichtlich wird. Ferner sind die hierin verwendeten Wörter „verbunden“ und „gekoppelt“ jeweils gedacht, direkte Verbindungen zwischen zwei Elementen ohne irgendwelche anderen Elemente, die dazwischen angeordnet sind, und indirekte Verbindungen zwischen Elementen, bei denen ein oder mehrere andere Elemente dazwischen angeordnet sind, zu umfassen. Die Begrifflichkeit umfasst die Wörter, die voranstehend speziell genannt sind, Ableitungen davon und Wörter von ähnlicher Wichtigkeit.
Mit Bezug nun ausführlich auf die Zeichnungen, wobei ähnliche Nummern verwendet werden, um ähnliche Elemente durchgängig zu bezeichnen, ist in den 1 - 11 eine Dichtungsanordnung 10 zum Dichten um eine Welle 1 gezeigt, die um eine Mittelachse Ac rotierbar ist, wobei die Welle eine äußere Umfangsfläche 2 hat, die mit einem Hauptwellenelement 3 oder einem Läufer oder einer Hülse (keines gezeigt) oder anderen Komponenten, die an dem Wellenelement 3 montiert sind, versehen ist. Bevorzugt ist die Welle 1 eine Komponente einer Turbomaschine, wie bspw. ein Prozessgaskompressor, eine Luftfahrtturbine etc., aber kann in jeder anderen geeigneten Anwendung verwendet werden. Die Dichtungsanordnung 10 umfasst im Wesentlichen eine Dichtung 12 und ein Gehäuse 14, die jeweils um die Welle 1 herum angeordnet sind, um im Wesentlichen nicht um die Achse A_C rotierbar zu sein, und zugehörige Komponenten zum Positionieren und Ausrichten der Dichtung 12 relativ zu dem Gehäuse 14 und der Welle 1, wie nachstehend beschrieben wird. Die Dichtung 12 hat einen im Allgemeinen ringförmigen Körper 16 mit einer Mittellinie CL_S, einem ersten axialen Ende 16a, das mit einer im Allgemeinen radialen Dichtfläche 18 versehen ist, ein gegenüberliegendes zweites axiales Ende 16b, eine innere Umfangsfläche, die eine Dichtfläche 20 bereitstellt, die mit der äußeren Umfangsfläche 2 der Welle 1 dichtend eingreifbar ist, und eine gegenüberliegende äußere Umfangsfläche 21.
Bei bestimmten Anwendungen, die in 5 - 7 gezeigt sind, ist der Körper 16 aus mehreren bogenförmigen Körpersegmenten 22 gebildet, die miteinander verbunden sind, um den Dichtungskörper 16 zu bilden, und zusammen die Enden 16a, 16b und die Dichtflächen 18, 20 bereitstellen, wie ausführlicher nachstehend beschrieben wird, aber alternativ als ein einzelner massiver ringförmiger Ring (nicht gezeigt) gebildet sein kann. Bei dem segmentierten Körper 16 ist die Dichtung 12 radial zwischen einer radial inneren Position, bei der die innere Dichtungsfläche 20 dichtend mit der äußeren Wellenfläche 2 unter statischen Bedingungen (d. h. die Welle 1 ist nicht rotierend) dichtend eingreift, und einer radial äußeren Position verschiebbar, bei der die innere Dichtungsfläche 20 von der äußeren Dichtungsfläche 2 beabstandet ist, um die Reibung während der Wellenrotation zu reduzieren. Bei anderen Anwendungen, wie bspw. einer „kontrollierten Lückendichtung“ ist der Dichtungskörper 16 als ein massiver Ring 80 (8) mit einer durchgängigen inneren Umfangsfläche 82 gebildet, die die innere Dichtfläche 20 mit einem inneren Durchmesser (nicht bezeichnet) bereitstellt, der bemessen ist, um ausreichend größer als der Außendurchmesser (nicht bezeichnet) der äußeren Wellenfläche 2 zu sein, so dass ein Fluidfilm zwischen der Dichtung 12 und der Welle 1 während der Wellenrotation vorhanden sein kann. In jedem Fall ist die Dichtung 12 radial relativ zu dem Gehäuse 14 versetzbar, um zumindest im Allgemeinen koaxial mit der Mittelachse A_C der Welle zu bleiben, wenn die Wellenachse A_C von der Gehäusemittellinie CL_H um einen radialen Abstand D_R aufgrund von statischen Bedingungen (z.B. ist die Welle beabstandet von dem Gehäuse installiert oder umgekehrt) oder dynamischen Bedingungen (z.B. Auslauf, Vibrationen etc.) versetzt ist, wie in 2 gezeigt ist.
Das Gehäuse 14 ist dazu eingerichtet, die Dichtung 12 zu halten, und umfasst einen im Allgemein ringförmigen Körper 24 mit einer Mittellinie CL_H und gegenüberliegenden axialen Enden 24a, 24b, wobei die Mittellinien CL_S, CL_H der Dichtung 12 und des Gehäuses 14 bevorzugt zumindest im Allgemeinen koaxial mit der Wellenmittellinie A_C ist, wenn sie darum installiert sind. Bevorzugt ist das Gehäuse 24 L-förmig und umfasst einen äußersten axial erstreckenden Abschnitt 29a und einen innersten radial erstreckenden Abschnitt 29b benachbart zu dem ersten axialen Ende 24a und kann eine einstückige Konstruktion sein oder aus zwei oder mehr verbundenen Komponenten gebildet sein. Ferner hat das Gehäuse 14 eine erste innere Umfangsfläche 26, die teilweise eine erste ringförmige Kammer 28 um die Welle 1 definiert, wobei die Dichtung 12 innerhalb der ersten ringförmigen Kammer 28 angeordnet ist, und eine zweite innere Umfangsfläche 30, die radial nach innen von der ersten inneren Umfangsfläche 26 beabstandet ist. Die zweite innere Gehäuseumfangsfläche 30 ist radial nach außen von der äußeren Fläche 2 der Welle 1 um den radialen Abstand oder das „Spiel“ CR beabstandet, um eine zweite ringförmige Kammer 32 zu definieren. Eine radiale Dichtungskontaktfläche 34 erstreckt sich radial zwischen der ersten inneren Umfangsfläche 26 und der zweiten inneren Umfangsfläche 30. Die radiale Dichtungsfläche 18 der Dichtung 12 ist dichtend mit der Dichtungskontaktfläche 34 des Gehäuses 14 eingreifbar, um einen Fluss zwischen der ersten Kammer 28 und der zweiten Kammer 32 zu verhindern.
Ferner ist zumindest eine Umfangsdrucknut 26 in der Dichtkontaktfläche 34 des Gehäuses 14 gebildet und ist fluidisch mit der ersten ringförmigen Kammer 28 verbunden. Dabei fließt im Betrieb der Maschine ein Teil der Menge des Fluids in die erste ringförmige Kammer 28, die typischerweise auf zumindest einem Pfund pro Quadratinch (1 psi) druckbeaufschlagt ist, was größer ist als der Fluiddruck innerhalb der zweiten Kammer 32, fließt in die Nut 36 und übt Druck gegen die Dichtfläche 18 der Dichtung 12 aus. Dabei werden Kontaktkräfte zwischen der Dichtung 12 und dem Gehäuse 14 reduziert, die Reibungskräfte zwischen den Flächen 18, 34 reduzieren und dadurch den Verschleiß des Dichtungskörpers 16 reduzieren. Typischerweise ist der Dichtungskörper 16 aus Carbon gebildet und der Gehäusekörper 24 ist aus einem metallischen Material gebildet, so dass die Dichtung 12 im Allgemeinen während der funktionalen Lebensdauer der Dichtungsanordnung 10 einen größeren Verschleiß erfährt als das Gehäuse 14, aber der Dichtungskörper 16 und/oder der Gehäusekörper 24 können aus anderen geeigneten Materialen hergestellt sein.
Bei zuvor bekannten Dichtungsanordnungen ist/sind die Drucknut(en) an der Dichtungsfläche des Dichtungskörpers gebildet, so dass ein ununterbrochener radialer „Damm“-Flächenabschnitt der Dichtfläche zwischen der radial inneren Kante der Dichtfläche und der radial inneren Kante der Drucknut vorgesehen ist. Ein Abschnitt des Dammflächenabschnitts muss immer mit der Gehäusekontaktfläche eingegriffen sein, um einen Fluss zwischen der Dichtung und den Gehäuseflächen zu verhindern. Aufgrund der radialen Bewegung der Dichtung zwischen einer „zentrierten“ Position, bei der die Wellenachse zumindest im Allgemeinen koaxial mit der Gehäusemittellinie ist und einer versetzten Position, bei der die Wellenachse radial von der Gehäusemittellinie versetzt ist, muss der Dammflächenabschnitt eine radiale Länge oder Abstand von zumindest dem radialen Spiel (d. h. zwischen dem Gehäuse und der Welle) plus der maximalen radialen Versschiebung der Welle haben. Ebenfalls muss, um den Abrieb der inneren Dichtungsfläche oder „Bohrung“ zu berücksichtigen, eine zusätzliche Dammflächenlänge vorgesehen sein. Als solche muss, falls es gewünscht ist, das radiale Spiel zu erhöhen, der Dammflächenabschnitt an der Dichtung erhöht werden, und eine solche Zunahme in der Dichtungsdammfläche erhöht die axiale Kontaktkraft und beeinflusst die Druckbalance an der Dichtung.
Jedoch kann bei der vorliegenden Erfindung durch Bilden der Drucknut 36 und folglich der Dammfläche an dem Gehäuse 14 die Dammfläche eine reduzierte oder geringere radiale Länge haben, während sie dennoch Kontakt mit der verschiebbaren Dichtung 12 hält, was wiederum ein vergrößertes radiales Spiel CR ermöglicht. Speziell ist der Dammflächenabschnitt 38 der radialen Fläche 34 des Gehäuses 14 zwischen einer inneren radialen Kante 34a der radialen Fläche 34 und einer inneren radialen Kante 36a der umfänglichen Drucknut 36 definiert. Weil die gesamte Dichtfläche 18 der Dichtung 12 kontinuierlich und glatt ist, d. h. ohne Nuten und andere Unterbrechungen (mit Ausnahme der Gelenke), wie nachstehend beschrieben ist, bleibt der Dammflächenabschnitt 38 im Dichtungseingriff mit der Dichtung 12 während der radialen Wellen- und Dichtungsverschiebung durch einen radialen Abstand D_R (2).
Bevorzugt hat der Dammflächenabschnitt 38 eine radiale Länge oder „Höhe“ D_H (11) mit einem Wert im Wesentlichen kleiner als der doppelte Wert des radialen Spiels CR zwischen dem Gehäuse 14 und der Welle 1 und bevorzugt im Wesentlichen weniger als der Wert des Spiels CR. Ferner kann, dadurch dass die Struktur der Drucknut 36 und der Dammfläche 38 an dem Gehäuse 14 und eine glatte Dichtfläche 18 gebildet wird, die an der Dichtung 12 vorgesehen ist, das radiale Spiel CR größer oder länger im Vergleich zu zuvor bekannten Dichtungsanordnungen gemacht werden und dennoch den Dichteingriff zwischen den Flächen 18 und 34 halten, und hat bevorzugt einen Wert von zumindest 30 Tausendstel eines Inchs (0,030"). Mit der voranstehenden Beschreibung der Grundkomponenten und der Funktionen werden diese und andere Details der Dichtungsanordnung 10 der vorliegenden Erfindung nachstehend ausführlicher beschrieben.
Mit Bezug auf 6 und 7 mit dem bevorzugten segmentierten Dichtungskörper 16 hat jedes bogenförmige Körpersegment 22 ein erstes umfängliches Ende 22a, ein gegenüberliegendes zweites umfängliches Ende 22b, einen inneren Umfangsflächenabschnitt 40, einen gegenüberliegenden äußeren Umfangsflächenabschnitt 42, einen ersten radialen Flächenabschnitt 44 und einen gegenüberliegenden zweiten radialen Flächenabschnitt 46 ( 7). Jedes zweite Umfangsflächenende 22 von jedem der Segmente 22 ist mit dem ersten Umfangsende 22a des benachbarten Segments 22 gekoppelt, so dass die mehreren Körpersegmente 22 zusammen den ringförmigen Dichtungskörper 16 bilden. Bevorzugt sind die Körpersegmente 22 mittels Auskragungen 23 gekoppelt, die an jedem ersten Segmentende 22a „locker“ in einem Sockel 25 angeordnet sind, der an jedem zweiten Segmentende 22b gebildet ist, um ein Gelenk 27 zu bilden. Ferner bilden die ersten radialen Flächenabschnitte 44 der mehreren Segmente 22 zusammen die radiale Dichtfläche 18 der Dichtung 12 und die inneren Umfangsflächenabschnitte 40 der mehreren Segmente 22 bilden zusammen die innere Umfangsdichtfläche 20 der Dichtung 12. Indem die Drucknut 26 in der Gehäusekontaktfläche 34 gebildet ist, ist die radiale Dichtfläche 18 des Dichtungskörpers 16 im Wesentlichen glatt und flach (z.B. hat sie eine Flachheit von ungefähr 0,001"). Jedoch ist, indem ein Dichtungskörper 16 aus den bogenförmigen Körpersegmenten 22 gebildet ist, die Dichtungsfläche 18 durch getrennte radiale Flächenabschnitte 44 der Segmente 22 bereitgestellt und umfasst daher mehrere Lücken 45, wobei sich jede Lücke an einem getrennten Gelenk 27 befindet.
Mit Bezug insbesondere auf 7 umfasst bei einem segmentierten Dichtungskörper 16 jedes Körpersegment 22 bevorzugt zumindest ein oder am Bevorzugtesten mehrere Anhubtaschen 48 (z.B. drei, wobei nur eine gezeigt ist), die jeweils an dem inneren Umfangsflächenabschnitt 40 jedes Körpersegments 22 gebildet sind. Jede Anhubtasche 48 ist dazu eingerichtet, eine radial nach außen gerichtete Kraft zu erzeugen, um das zugehörige bogenförmige Segment 22 nach außen von der äußeren Wellenfläche 2 während der Rotation der Welle 1 zu versetzen. Insbesondere geht ein Anteil des Fluids, das zwischen der rotierenden Welle und der Innenfläche 20 der Dichtung 12 hindurchgeht, durch eine oder mehrere axiale Zuführschlitze 49 hindurch und wird in die Tasche(n) 48 gerichtet, wobei das Fluid den Druck in den Taschen 48 erhöht und jedes bogenförmige Körpersegment 22 im Allgemein radial nach außen vorspannt, um es von der Wellenfläche 2 zu versetzen. Jedoch umfasst bei einem dem massiven Dichtungskörper 16, der in 8 gezeigt ist, der Dichtungskörper 16 keine Art von Anhubtaschen und dazugehörige Schlitze oder Nuten und hat stattdessen eine innere Umfangsfläche 82, die im Wesentlichen glatt und durchgängig ist.
Mit Bezug auf die 1 - 4 umfasst, um den Eingriff der inneren Umfangsdichtfläche 20 einer Dichtung 12 mit der äußeren Wellenfläche 2 aufrechtzuerhalten, wenn der Dichtungskörper 16 segmentiert ist, die Dichtungsanordnung 10 bevorzugt weiterhin ein ringförmiges Vorspannelement 50, das um die mehreren Bogenkörpersegmente 22 angeordnet ist. Das Vorspannelement 50 ist dazu ausgelegt, die Körpersegmente 22 radial nach innen in Richtung der Mittelachse A_C vorzuspannen, wodurch die Segmentauskragungen 23 in den Segmentsockeln 25 gehalten werden und die Integrität des ringförmigen Körpers 16 erhalten wird. Bevorzugt ist das Vorspannelement 50 eine im Allgemeinen ringförmige Bandfeder 51, aber kann jede andere angemessene Vorrichtung sein, die geeignet ist, radial die Segmente 22 vorzuspannen.
Insbesondere mit Bezug auf 4 umfasst bei entweder einem segmentierten oder massiven Dichtungskörper 16 die Dichtungsanordnung 10 ebenfalls bevorzugt zumindest ein und bevorzugt mehrere axiale Vorspannelemente 52 (wobei nur eins gezeigt ist), am bevorzugtesten Kompressionsspitalfedern 53. Jede Feder 53 ist dazu eingerichtet, die Dichtung 12 im Allgemeinen axial in Richtung der Kontaktdichtfläche 34 des Gehäuses 14 vorzuspannen, um den Dichtungseingriff zwischen der radialen Dichtfläche 18 und der Dichtungskontaktfläche 34 aufrechtzuerhalten. Bevorzugt umfasst die Dichtungsanordnung 10 ebenfalls eine ringförmige Federhalteplatte 54, die mit dem Gehäuse 14 gekoppelt ist und axial von der Dichtung 12, insbesondere entfernt von dem zweiten axialen Dichtungsende 16b, beabstandet ist. Bei einer solchen Federplatte 54 hat jede Feder 53 ein erstes Ende 53a, das gegen die Halteplatte 54 angeordnet ist oder damit gekoppelt ist, und ein zweites Ende 53b, das gegen den Dichtungskörper 16 angeordnet/gekoppelt ist und sich axial zwischen der Platte 54 und der Dichtung 12 erstreckt. Die Halteplatte 54 umfasst bevorzugt mehrere Haltetaschen 55 (nur eine gezeigt)), die sich axial nach innen von einem axialen Ende 54a der Platte 54 erstrecken, so dass jedes erste Federende 53a in einer Getrennten der Taschen 55 angeordnet ist, aber alternativ gegen das axiale Ende 54a angeordnet sein kann.
Ferner umfasst die Dichtungsanordnung 10 bevorzugt zumindest ein Antirotationselement 56 mit einem ersten Ende 56a, das mit dem Gehäuse 14 verbunden ist, und einem zweiten Ende 56b, das mit der Dichtung 12 verbunden ist, und ist bevorzugt als ein im Allgemeinen rechtwinkliger Stab oder Öse gebildet. Das(die) Antirotationselement(e) 56 sind bevorzugt integral mit der Halteplatte 54 gebildet, aber können als separate Elemente mit der Platte 54 gekoppelt sein. Jedes Antirotationselement 56 ist dazu eingerichtet, eine winklige Verschiebung der Dichtung 12 um die Mittelachse A_C, d.h. durch bewegliches Koppeln der Dichtung 12 mit dem Gehäuse 14, zu verhindern. Bevorzugt umfasst das Gehäuse 14 zumindest eine und bevorzugt mehrere Öffnungen 58, die sich radial nach außen von der ersten inneren Gehäuseumfangsfläche 26 erstrecken und der Dichtungskörper 16 umfasst zumindest eine und bevorzugt mehrere Öffnungen 60, die sich radial nach innen von der äußeren Dichtungsumfangsfläche 21 erstrecken und radial mit einer getrennten Gehäuseöffnung 58 ausgerichtet sind. Bei einer solchen Öffnung 58, 60 ist das erste Ende 56a jedes Antirotationselements 56 in der Gehäuseöffnung 58 angeordnet und das zweite Ende 56b jedes Elements 56 ist in der ausgerichteten Dichtungsöffnung 60 angeordnet.
Ferner umfasst, um die Federplatte 54 und/oder das Antirotationselement 56 (falls es von der Platte 54 getrennt ist) in dem Gehäuse 14 zu halten, die Dichtungsanordnung 10 bevorzugt weiterhin einen Halteclip 62, bevorzugt einen C-Clip. Der Halteclip 62 ist mit einer Nut 64 gekoppelt, die sich nach außen von der Innenfläche 26 des Gehäuses 14 erstreckt, und hat ein axiales Ende 62a, gegen das die Platte 54 angeordnet ist. Ebenfalls kann die Dichtungsanordnung 10 eine oder mehr äußere Gehäuse (nicht gezeigt) umfassen, um das Gehäuse 14 aufzunehmen und die Dichtungsanordnung 10 mit anderen Komponenten der Turbomaschine zu verbinden.
Mit Bezug nun auf die 9 - 11 umfasst bei einem „segmentierten“ Dichtungskörper, wie voranstehend beschrieben, die zumindest eine Drucknut 36 bevorzugt mehrere bogenförmige Nutsegmente 70, die umfänglich um die Gehäusemittellinie CL_H und folglich um die Mittelachse A_C beabstandet sind, und mehrere radiale Zuführschlitze 72, wobei zumindest einer und bevorzugt fünf Schlitze pro jedem Nutsegment 70 vorgesehen sind. Jedes Drucknutsegment 70 hat gegenüberliegende erste und zweite Umfangsenden 70a, 70b, wobei das erste Umfangsende 70a jedes Nutsegments 70 umfänglich von dem zweiten Umfangsende 70b eines benachbarten Nutsegments 70 beabstandet ist, um einen von mehreren Barriereflächenabschnitten 74 zu definieren, wie nachstehend ausführlich beschrieben ist. Ferner hat jeder Zuführschlitz 72 ein äußeres radiales Ende 72a, das mit der ersten ringförmigen Kammer 28 gekoppelt ist, und ein inneres radiales Ende 72b, das mit einem der Nutsegmente 70 gekoppelt ist. Als solches ist jedes Nutsegment 70 fluidisch mit der ersten ringförmigen Kammer 28 über zumindest einen der Zuführschlitze 72 gekoppelt. Dadurch fließt das Fluid in der Kammer 28 in das äußere radiale Ende 72a jedes Zuführschlitzes 72, geht durch den Schlitz 72 hindurch und aus dem inneren radialen Ende 72 heraus, um sich dann innerhalb des verbundenen bogenförmigen Drucknutsegments 70 zu sammeln.
Wie am besten in 5 gezeigt ist, ist bei der voranstehenden Nutstruktur die Dichtung 12 in der ersten Kammer 28 des Gehäuses 14 angeordnet, so dass sich jeder Barriereflächenabschnitt 74 angrenzend zu einem Getrennten der Verbindungen 27 des Dichtungskörpers 16 befindet, um einen Fluss zwischen der Drucknut 36 und den Gelenken 27 zu verhindern. Mit anderen Worten würde, falls die Nut 36 umfänglich durchgängig ist und sich benachbart zu dem einem oder mehreren Gelenken 27 erstreckt, Fluid in der Nut 36 durch die Gelenke 27 hindurchgehen und eine Fluidleckage durch die Dichtung 12 erhöhen. Folglich sind die Barriereabschnitte 74 vorgesehen und die Dichtungsgelenke 27 sind benachbart dazu positioniert, um einen ausreichenden Dichtungsflächeneingriff oder Bedeckung sicherzustellen.
Wenn der Dichtungskörper 16 durch einen massiven Ring 80 bereitgestellt wird, kann die Drucknut 36 als mehrere bogenförmige Nutsegmente 70 gebildet sein, wie voranstehend beschrieben und in 9 und 10 gezeigt ist, aber kann alternativ als eine einzelne Umfangsnut (nicht gezeigt) gebildet sein, die sich vollständig umfänglich um die Gehäusemittellinie CL_H erstreckt. In jedem Fall eliminiert die durchgängige oder/und ununterbrochene radiale Dichtfläche 18, die durch den Ring 80 bereitgestellt wird, die Notwendigkeit der Barriereflächenabschnitte 74.
Obwohl in der voranstehenden Offenbarung als eine einzelne Dichtung 12 dargestellt und beschrieben, kann die Dichtungsanordnung 10 zwei Dichtungen 12 umfassen, die axial voneinander beabstandet sind (d. h. eine „Tandem‟ dichtanordnung) und jede um die Welle 1 angeordnet ist. Eine Dichtung 12 ist dichtend mit einer radialen Kontaktfläche 34 des Gehäuses 14 eingreifbar, wie voranstehend beschrieben, während die andere Dichtung 12 mit einer zweiten radialen Dichtungskontaktfläche (nicht gezeigt) des Gehäuses 14 oder einem zweiten Gehäuse (nicht gezeigt) eingreifbar ist. Eine solche radiale Dichtkontaktfläche ist axial von der Kontaktfläche 34 beabstandet und liegt dieser im Allgemeinen gegenüber und ist mit einer Drucknut (nicht gezeigt) versehen, wie im Allgemeinen voranstehend beschrieben ist. Die zweite Dichtkontaktfläche und die zweite Drucknut können durch das Gehäuse 14, durch einen Einsatz oder einen Ring, der mit dem Gehäuse 14 gekoppelt ist, oder durch ein zweites Gehäuse, das benachbart zu dem Gehäuse 14 angeordnet ist und die zweite Dichtung 12 einschließt, bereitgestellt werden.
Es wird von denen mit Fachwissen gewürdigt werden, dass Änderungen an den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von dem breiten erfinderischen Konzept davon abzuweichen. Es wird verstanden, dass daher diese Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen, die offenbart sind, beschränkt ist, sondern dass es beabsichtigt ist, Modifikationen in dem Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie im Allgemeinen durch die angehängten Ansprüche definiert ist, abzudecken.

Claims

Dichtungsanordnung zum Dichten um eine Welle, die um eine Mittelachse rotierbar ist, wobei die Welle eine äußere Umfangsfläche hat, wobei die Dichtungsanordnung aufweist: eine Dichtung, die um die Welle angeordnet ist und einen im Allgemeinen ringförmigen Körper mit einem ersten axialen Ende, einem gegenüberliegenden zweiten axialen Ende, einer im Allgemeinen radialen Dichtfläche an dem ersten axialen Ende und einer innere Umfangsdichtfläche hat, die mit der äußeren Umfangsfläche der Welle dichtend eingreifbar ist; und ein Gehäuse, das um die Welle angeordnet ist und eine erste innere Umfangsfläche hat, die eine erste ringförmige Kammer um die Welle definiert, wobei die Dichtung in der ersten ringförmigen Kammer angeordnet ist, eine zweite innere Umfangsfläche hat, die radial nach innen von der ersten Umfangsfläche beabstandet ist und von der Außenfläche der Welle durch ein radiales Spiel beabstandet ist, um eine zweite ringförmige Kammer zu definieren, wobei sich eine radiale Dichtkontaktfläche radial zwischen der ersten inneren Umfangsfläche und der zweiten inneren Umfangsfläche erstreckt, wobei die radiale Dichtkontaktfläche der Dichtung dichtend mit der Dichtkontaktfläche des Gehäuses eingreifbar ist, um einen Fluss zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer zu verhindern, und zumindest eine Umfangsdrucknut hat, die in der Dichtkontaktfläche des Gehäuses gebildet ist, wobei die Drucknut fluidisch mit der ersten ringförmigen Kammer gekoppelt ist.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1, wobei das radiale Spiel einen Wert von zumindest 30 Tausendstel eines Inchs (0,0030") hat.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Fluiddruck in der Drucknut die Kontaktkraft zwischen der Dichtung und dem Gehäuse reduziert.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Dichtungskörper eines umfasst von: einen massiven ringförmigen Ring, und mehreren bogenförmigen Körpersegmenten, wobei jedes bogenförmige Segment ein erstes Umfangsende und ein gegenüberliegendes zweites Umfangsende hat, wobei jedes zweite Umfangsende mit dem ersten Umfangsende eines benachbarten Segments gekoppelt ist, so dass die mehreren Körpersegmente zusammen den ringförmigen Dichtungskörper bilden.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 4, wobei jedes der mehreren bogenförmigen Körpersegmente einen inneren Umfangsflächenabschnitt, wobei die innere Umfangsflächenabschnitte der mehreren Segmente zusammen die innere umfängliche Dichtungskörperfläche bilden, und zumindest eine Anhubtasche hat, die an dem inneren umfänglichen Flächenabschnitt jedes Körpersegments gebildet ist, wobei jede Anhubtasche dazu ausgelegt ist, eine Kraft zu erzeugen, um radial das bogenförmige Segment während der Rotation der Welle von der Wellenaußenfläche nach außen zu versetzen.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Dichtung ferner ein ringförmiges Vorspannelement aufweist, das um die mehreren bogenförmigen Körpersegmente angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, die Segmente radial nach innen in Richtung der Mittelachse vorzuspannen.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die radiale Dichtungsfläche des Dichtungskörpers im Wesentlichen glatt ist.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1, wobei zumindest eine Drucknut mehrere bogenförmige Nutsegmente, die umfänglich um die Mittelachse beabstandet sind, und mehrere radiale Zuführschlitze umfasst, wobei jeder Zuführschlitz ein radial äußeres Ende hat, das mit der ersten ringförmigen Kammer gekoppelt ist, und ein radial inneres Ende hat, das mit einer der Nutsegmente gekoppelt ist, so dass jedes Nutsegment fluidisch mit der ersten ringförmigen Kammer über zumindest einen der Zuführschlitze gekoppelt ist.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 8, wobei: der Dichtungskörper mehrere bogenförmige Körpersegmente aufweist, wobei jedes bogenförmige Körpersegment ein erstes Umfangsende und ein gegenüberliegendes zweites Umfangsende hat, wobei jedes zweite Umfangsende mit dem ersten Umfangsende eines benachbarten Segments gekoppelt ist, um ein Dichtungsgelenk zu bilden, und die Kontaktfläche des Gehäuses mehrere Barriereflächenabschnitte aufweist, wobei jeder Barriereflächenabschnitt zwischen einem Paar von benachbarten Drucknutsegmenten definiert ist, wobei die mehreren Nutsegmente umfänglich um die Mittelachse beabstandet sind, so dass sich jeder Barriereflächenabschnitt neben einem Separaten der Gelenke des Dichtungskörpers befindet, um einen Fluss zwischen der Drucknut und dem Gelenk zu verhindern.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1, wobei ein Dammflächenabschnitt der radialen Fläche des Gehäuses zwischen einer inneren radialen Kante der radialen Fläche und einer Umfangsdrucknut definiert ist, wobei der Dammflächenabschnitt eine radiale Höhe mit einem Wert hat, der weniger als zweimal einem Wert des radialen Spiels zwischen dem Gehäuse und der Welle ist.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1, die ferner aufweist: eine ringförmige Halteplatte, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und axial von der Dichtung beabstandet ist; zumindest eine Feder, die sich zwischen dem Halter und der Dichtung erstreckt und dazu ausgelegt ist, die Dichtung in Richtung der Dichtungskontaktfläche des Gehäuses vorzuspannen; und zumindest ein Antirotationselement mit einem ersten Ende, das mit dem Gehäuse verbunden ist, und einem zweiten Ende, das mit der Dichtung verbunden ist, wobei das Antirotationselement dazu eingerichtet ist, eine Winkelverschiebung der Dichtung um die Mittelachse zu verhindern.
Dichtungsanordnung zum Dichten um eine Welle, die um eine Mittelachse rotierbar ist, wobei die Welle eine äußere Umfangsfläche hat, wobei die Dichtungsanordnung aufweist: eine Dichtung, die um die Welle angeordnet ist und mehrere bogenförmige Körpersegmente hat, wobei jedes bogenförmige Körpersegment ein erstes Umfangsende und ein gegenüberliegendes zweites Umfangsende hat, wobei jedes zweite Umfangsende mit dem ersten Umfangsende eines benachbarten Segments gekoppelt ist, so dass die mehreren Körpersegmente zusammen einen im Allgemeinen ringförmigen Dichtungskörper bilden, wobei der Dichtungskörper ein erstes axiales Ende, ein gegenüberliegendes zweites axiales Ende, eine im Allgemeinen radiale Dichtfläche an dem ersten axialen Ende und eine innere Umfangsdichtfläche hat, die dichtend mit der äußeren Umfangsfläche der Welle eingreifbar ist, und ein Gehäuse, das um die Welle angeordnet ist und eine erste innere Umfangsfläche hat, die eine erste ringförmige Kammer um die Welle definiert, wobei die Dichtung in der ersten ringförmigen Kammer angeordnet ist, eine zweite innere Umfangsfläche hat, die radial nach innen von der ersten Umfangsfläche beabstandet ist und von der Außenfläche der Welle durch ein radiales Spiel beabstandet ist, um eine zweite ringförmige Kammer zu definieren, wobei sich eine radiale Dichtkontaktfläche radial zwischen der ersten inneren Umfangsfläche und der zweiten inneren Umfangsfläche erstreckt, wobei die radiale Dichtkontaktfläche der Dichtung dichtend mit der Dichtkontaktfläche des Gehäuses eingreifbar ist, um einen Fluss zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer zu verhindern, und zumindest eine Umfangsdrucknut hat, die in der Dichtkontaktfläche des Gehäuses gebildet ist, wobei die Drucknut fluidisch mit der ersten ringförmigen Kammer gekoppelt ist.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 12, wobei das radiale Spiel einen Wert von zumindest 30 Tausendstel eines Inchs (0,0030") hat.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 12, wobei der Fluiddruck in der Drucknut die Kontaktkraft zwischen der Dichtung und dem Gehäuse reduziert.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 12, wobei jedes der mehreren bogenförmigen Körpersegmente einen inneren Umfangsflächenabschnitt, wobei die innere Umfangsflächenabschnitte der mehreren Segmente zusammen die innere umfängliche Dichtungskörperfläche bilden, und zumindest eine Anhubtasche hat, die an dem inneren umfänglichen Flächenabschnitt jedes Körpersegments gebildet ist, wobei jede Anhubtasche dazu ausgelegt ist, eine Kraft zu erzeugen, um radial das bogenförmige Segment während der Rotation der Welle von der Wellenaußenfläche nach außen zu versetzen.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 12, wobei die Dichtung ferner ein ringförmiges Vorspannelement aufweist, das um die mehreren bogenförmigen Körpersegmente angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, die Segmente radial nach innen in Richtung der Mittelachse vorzuspannen.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 12, wobei die zumindest eine Drucknut mehrere bogenförmige Nutsegmente und mehrere radiale Zuführschlitze umfasst, wobei jeder Zuführschlitz ein radial inneres Ende hat, das mit einer Separaten der Nutsegmente gekoppelt ist, und ein gegenüberliegendes radial äußeres Ende hat, das fluidisch mit der ringförmigen Kammer gekoppelt ist.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 12, wobei: der Dichtungskörper mehrere bogenförmige Körpersegmente aufweist, wobei jedes bogenförmige Körpersegment ein erstes Umfangsende und ein gegenüberliegendes zweites Umfangsende hat, wobei jedes zweite Umfangsende mit dem ersten Umfangsende eines benachbarten Segments gekoppelt ist, um ein Dichtungsgelenk zu bilden, und die Kontaktfläche des Gehäuses mehrere Barriereflächenabschnitte aufweist, wobei jeder Barriereflächenabschnitt zwischen einem Paar von benachbarten Drucknutsegmenten definiert ist, wobei die mehreren Nutsegmente umfänglich um die Mittelachse beabstandet sind, so dass sich jeder Barriereflächenabschnitt neben einem Separaten der Gelenke des Dichtungskörpers befindet, um einen Fluss zwischen der Drucknut und dem Gelenk zu verhindern.
Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 12, wobei ein Dammflächenabschnitt der radialen Fläche des Gehäuses zwischen einer inneren radialen Kante der radialen Fläche und einer Umfangsdrucknut definiert ist, wobei der Dammflächenabschnitt eine radiale Höhe mit einem Wert hat, der weniger als zweimal einem Wert des radialen Spiels zwischen dem Gehäuse und der Welle ist.
Dichtungsanordnung zum Dichten um eine Welle, die um eine Mittelachse rotierbar ist, wobei die Welle eine äußere Umfangsfläche hat, wobei die Dichtungsanordnung aufweist: eine Dichtung, die um die Welle angeordnet ist und einen im Allgemeinen massiven ringförmigen Körper mit einem ersten axialen Ende, einem gegenüberliegenden zweiten axialen Ende, einer im Allgemeinen radialen Dichtfläche an dem ersten axialen Ende und einer innere Umfangsdichtfläche hat, die mit der äußeren Umfangsfläche der Welle dichtend eingreifbar ist; und ein Gehäuse, das um die Welle angeordnet ist und eine erste innere Umfangsfläche hat, die eine erste ringförmige Kammer um die Welle definiert, wobei die Dichtung in der ersten ringförmigen Kammer angeordnet ist, eine zweite innere Umfangsfläche hat, die radial nach innen von der ersten Umfangsfläche beabstandet ist und von der Außenfläche der Welle durch ein radiales Spiel beabstandet ist, um eine zweite ringförmige Kammer zu definieren, wobei sich eine radiale Dichtkontaktfläche radial zwischen der ersten inneren Umfangsfläche und der zweiten inneren Umfangsfläche erstreckt, wobei die radiale Dichtfläche der Dichtung dichtend mit der Dichtkontaktfläche des Gehäuses eingreifbar ist, um einen Fluss zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer zu verhindern, und zumindest eine Umfangsdrucknut hat, die in der Dichtkontaktfläche des Gehäuses gebildet ist, wobei die Drucknut fluidisch mit der ersten ringförmigen Kammer gekoppelt ist.