DE1158334B

DE1158334B - Gap seal

Info

Publication number: DE1158334B
Application number: DEG22102A
Authority: DE
Inventors: Harold Arthur Greenwald
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1956-05-16
Filing date: 1957-05-15
Publication date: 1963-11-28

Description

Spaltdichtung Die Erfindung betrifft eine Spaltdichtung zwischen einer Stirn- oder Trennwand eines Maschinengehäuses und einer ebenen Ringfläche an einem in dem Gehäuse umlaufenden Rotor mit einem den radialen Dichtspalt auf der Gehäuseseite begrenzenden, eine ringförmige Kammer in der Gehäusewand axial beweglich abschließenden Dichtungsring, der zusammen mit dem Rotor zwei Räume unterschiedlichen Druckes abteilt und unter der Wirkung der in diesen Räumen und in der ringförmigen Kammer wirkendenDrücke selbsttätig eine vorbestimmte axiale Breite des Dichtspaltes einstellt.Gap seal The invention relates to a gap seal between a Front or partition wall of a machine housing and a flat ring surface on one in the housing rotating rotor with a radial sealing gap on the housing side delimiting an annular chamber in the housing wall axially movably closing off Sealing ring which, together with the rotor, divides two spaces with different pressures and under the action of the pressures acting in these spaces and in the annular chamber automatically sets a predetermined axial width of the sealing gap.

An einer radialen Stirnfläche des Rotors einer Turbomaschine angeordnete Spaltdichtungen mit einem Dichtungsring, dessen Rückseite eine Ringkammer abschließt, sind bereits bekannt. Dabei wird der Druck in dieser Ringkammer so eingestellt, daß die Spaltbreite unabhängig von den Druckverhältnissen in den einzelnen Räumen ist. Die dem Rotor zugewandte Fläche des Dichtungsringes bildet hierbei einen sich zur Achse hin verjüngenden Spalt mit der Stirnfläche des Rotors. Längs diesem sich verjüngenden Spalt entsteht beimHindurchströmen desArbeitsmittels ein Druckabfall, und dieser Druckunterschied wird dazu benutzt, den Dichtungsring ständig in dem gewünschten, sehr geringen Abstand von der Rotorfläche zu halten. Zu diesem Zweck ist die erwähnte Ringkammer mit dem Hochdruck- und dem Niederdruckraum über Kanäle verbunden, von denen einer als Lavaldüse ausgebildet sein kann. Sowohl diese Kanäle als auch die Bearbeitung der schrägen Stirnfläche des Dichtungsringes erfordern große Sorgfalt, und von der Präzision dieser Teile hängt die Wirkung in hohem Maße ab.Arranged on a radial end face of the rotor of a turbomachine Gap seals with a sealing ring, the back of which closes off an annular chamber, are already known. The pressure in this annular chamber is set so that that the gap width is independent of the pressure conditions in the individual rooms is. The surface of the sealing ring that faces the rotor forms one towards the axis tapering gap with the end face of the rotor. Along this itself tapering gap results in a pressure drop when the working medium flows through, and this pressure difference is used to keep the sealing ring in the to keep the desired, very small distance from the rotor surface. To this end is the aforementioned annular chamber with the high pressure and the low pressure chamber via channels connected, one of which can be designed as a Laval nozzle. Both these channels as well as the machining of the inclined face of the sealing ring great care, and the effect depends to a large extent on the precision of these parts away.

Bei einer anderen bekannten Dichtungsbauart wird ein Dichtungsring gegen die Rotorstirnfläche gedrückt, und zur selbsttätigen Einstellung eines bestimmten sehr geringen Spaltes zwischen Dichtungsring und Rotor ist in der Mitte des Dichtungsringes bzw. seiner der Rotorstirnfiäche gegenüberliegenden Oberfläche ein Kanal gebohrt, der in einen hinter den Dichtungsring liegenden kammerartigen Raum führt. Längs der Oberfläche des Dichtungsringes ergibt sich dann ein Druckabfall, der an der Mündung des durch den Dichtungsring hindurchführenden Kanals einen ganz bestimmten Druck auftreten läßt. Dieser Druck wird in die dahinterliegende Kammer übertragen und sorgt für die Einstellung der richtigen Spaltgröße. Hier liegen die Verhältnisse ähnlich wie bei der soeben beschriebenen Dichtung: Auch hier müssen die Rotorstirnfläche und der Dichtungsring sehr exakt bearbeitet sein, denn schon bei geringfügigen Abweichungen der Oberflächen von Dichtungsring und Rotor gegenüber der im Konstruktionsbüro festgelegten Gestalt stellt sich eine ganz andere Spaltgröße ein.Another known type of seal is a sealing ring pressed against the rotor face, and for the automatic adjustment of a certain The very small gap between the sealing ring and the rotor is in the middle of the sealing ring or its surface opposite the rotor end face drilled a channel, which leads into a chamber-like space behind the sealing ring. Along the surface of the sealing ring then results in a pressure drop that occurs at the The mouth of the channel passing through the sealing ring has a very specific one Pressure can occur. This pressure is transferred to the chamber behind and ensures that the correct gap size is set. This is where the situation lies similar to the seal just described: Here, too, the rotor face must and the sealing ring must be machined very precisely, because even with minor deviations the surfaces of the sealing ring and rotor compared to that specified in the design office Shape, a completely different gap size sets in.

Diese Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß der Dichtungsring an der dem Rotor zugewandten Fläche zwei konzentrische ringförmige Dichtungsstege aufweist und mitKanälen versehen ist, die den im Zwischenraum zwischen den Dichtungsstegen herrschenden Druck in die ringförmige Kammer in der Gehäusewand übertragen, wobei diese Kammer über einen engen Kanal mit dem der Dichtung benachbarten Raum niedrigeren Druckes verbunden ist und die Radien der Dichtungsstege so gewählt sind, daß die auf der Frontseite des Dichtungsringes herrschenden Drücke auf den Dichtungsring eine Axialkraft ausüben, welche der durch den auf seiner Rückseite herrschenden Ringkammerdruck bei der gewünschten Spaltbreite zwischen den Dichtungsstegen und der Rotorfrontseite das Gleichgewicht hält. Bei einer derart ausgebildeten Spaltdichtung stellt sich zwischen den beiden Dichtungsstegen in dem von ihnen begrenzten Raum ein ganz bestimmter Druck ein, der auf die Frontseite des Dichtungsringes übertragen wird und auf diesen eine ihm proportionale Axialkraft ausübt. Bei einer Änderung der Spaltgröße, d. h. des Abstands zwischen den Dichtungsstegen einerseits und der Rotorfläche andererseits, ergibt sich eine Druckänderung in dem Raum zwischen den beiden Dichtungsstegen. Dies rührt daher, daß der Radius des inneren Dichtungssteges kleiner als der des äußeren ist und der zur ersteren gehörende Spalt also einen kleineren Querschnitt aufweist. Für das hindurchströmende Medium sind die beiden Dichtungsspalten in Reihe -hintereinander angeordnet. Hierbei ist das spezifische Volumen des :hindurchtretenden Mediums von Bedeutung. Weist beispielsweise der Raum zwischen den beiden Dichtungsstegen einen Druck auf, der-bei konstanter Temperaturhalb so groß ist wie der Druck außerhalb des äußeren Dichtungssteges, so ist das spezifische Volumen doppelt so groß, und durch den inneren Spalt muß zweimal soviel Luft hindurchtreten. Daraus ergibt sich, daß bei einer Änderung der Spaltgröße keineswegs der Druck in dem zwischen den Dichtungsstegen liegenden Raum ein konstanter Bruchteil des Gesamtdruckes ist; viehmehr ändert sich dieser Druck in Abhängigkeit von der Spaltgröße. Diese Tatsache ermöglicht es, durch Übertragung dieses Druckes auf die Frontseite des Dichtungsringes eine selbsttätige Einstellung der Spaltgröße zu bewerkstelligen.These difficulties are avoided according to the invention in that the sealing ring on the surface facing the rotor has two concentric ring-shaped Has sealing ridges and is provided with channels, which in the space between the pressure prevailing the sealing webs in the annular chamber in the housing wall transferred, this chamber via a narrow channel with that of the seal adjacent Lower pressure space is connected and the radii of the sealing webs are chosen are that the pressures prevailing on the front of the sealing ring on the Sealing ring exert an axial force, which is caused by the on its back prevailing annular chamber pressure with the desired gap width between the sealing webs and the rotor front is in balance. With one like that formed gap seal is between the two sealing webs in the of them limited space a very specific print that is on the front of the sealing ring is transmitted and on this an axial force proportional to it exercises. If the gap size changes, i. H. the distance between the sealing webs on the one hand and the rotor surface on the other hand, there is a pressure change in the Space between the two sealing bars. This is because the radius of the inner Sealing ridge is smaller than that of the outer and the gap belonging to the former thus has a smaller cross section. For the medium flowing through the two sealing gaps arranged in series one behind the other. Here is that specific volume of the medium passing through is important. For example, knows the space between the two sealing webs a pressure that-at constant The temperature is half the pressure outside the outer sealing web, so the specific volume is twice as large and must go through the inner gap pass twice as much air. It follows that if the Gap size is by no means the pressure in the space between the sealing webs is a constant fraction of the total pressure; this pressure is changing much more depending on the size of the gap. This fact makes it possible through transmission this pressure on the front of the sealing ring is an automatic adjustment to accomplish the gap size.

Wie oben bereits erwähnt, soll zwischen der ringförmigen Kammer in der Gehäusewand und dem der Dichtung benachbartenRaum niedrigerenDruckes eine Verbindung in Gestalt eines engen Kanals bestehen. Diese Verbindung muß nicht als ein eigener Kanal ausgebildet sein, denn in den meisten Fällen stellt die unvermeidliche Umdichtigkeit zwischen dem Dichtungsring und dem ihn umgebenden Gehäuseteil bereits eine solche Verbindung dar. Man wird hier nach Möglichkeit für eine einigermaßen gute Abdichtung sorgen, beispielsweise durch Anwendung einer Dichtung nach Art eines Kolbenringes, doch ist es bekannt, daß auch ein Kolbenring gewisse Gasverluste zuläßt. Würde man an dieser Stelle eine hermetische Abdichtung anwenden, etwa indem man eine ringförmige Membran als Dichtungsmittel benutzt, so müßte ein eigener enger Kanal gebohrt werden. Es ist immerhin möglich, daß der Dichtungsring durch irgendwelche ungewöhnlichen und auch wieder vorübergehenden Einflüsse sieh zum Rotor hin verstellt, und dies würde schließlich zur Folge haben, daß die Dichtungsstege auf der Rotoroberfläche schleifen, dann würde der herrschende Hochdruck in die ringförmige Kammer der Gehäusewand ; gelangen und die Dichtungsstege kräftig auf den Turbinenrotor pressen. Um dies zu vermeiden, ist der erwähnte enge Kanal vorgesehen, der diese ringförmige Kammer mit dem der Dichtung benachbarten Raum niedrigeren Druckes verbindet. Diese Verbindung sorgt dafür, daß sich kein hoher Druck hinter dem Dichtungsring aufbauen kann oder, falls er sich aufgebaut hat, daß er sieh wieder ausgleicht, so daß der Dichtungsring wieder von der Rotorfläche abgehoben werden kann. t Zweckmäßig weist der Dichtungsring zylindrische Führungsflächen auf, mit denen er in an sich bekannter Weise zwischen ebenfalls zylindrischen Seitenwänden einer ringförmigen Aussparung der Gehäusewand abgedichtet und geführt ist. Dabei können zur Abdichtung mit Vorteil kolbenringartige Spannringe verwendet werden, in deren Gleitflächen je eine Ringnut angeordnet ist, welche mit derjenigen Seite des Spannringes in Verbindung steht, auf der der höhere Druck herrscht.As already mentioned above, between the annular chamber in the housing wall and the lower pressure space adjacent to the seal exist in the form of a narrow channel. This connection does not have to be considered a separate one Channel be formed, because in most cases it represents the inevitable leakage between the sealing ring and the housing part surrounding it already one such Connection. One is here, if possible, for a reasonably good seal ensure, for example by using a seal like a piston ring, but it is known that a piston ring also allows certain gas losses. You would Apply a hermetic seal at this point, such as by making an annular one If the membrane is used as a sealant, a narrow channel of its own would have to be drilled. It is still possible that the sealing ring by some unusual and again temporary influences look shifted towards the rotor, and this would eventually result in the sealing ridges on the rotor surface grind, then the prevailing high pressure would enter the annular chamber of the housing wall ; and press the sealing webs firmly onto the turbine rotor. To this To avoid the aforementioned narrow channel is provided which this annular chamber connects with the lower pressure space adjacent to the seal. This connection ensures that no high pressure can build up behind the sealing ring or, in case it has built up that it balances out again, so that the sealing ring can be lifted off the rotor surface again. The sealing ring appropriately points cylindrical guide surfaces with which he in a known manner between likewise cylindrical side walls of an annular recess in the housing wall is sealed and guided. In this case, piston ring-type can be used for sealing with advantage Clamping rings are used with an annular groove in each sliding surface, which is connected to that side of the clamping ring on which the higher one There is pressure.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist als Ersatz für den Kanal zur Verbindung der ringförmigen Kammer mit dem Raum niedrigen Druckes die diesem Raum benachbarte, zur Abdichtung des Dichtungsringes in seiner Axialführung vorgesehene Dichtung so ausgebildet, daß sie einen geringen Leckverlust zuläßt.In an expedient embodiment of the invention, it is used as a replacement for the channel connecting the annular chamber with the low pressure space the one adjacent to this space for sealing the sealing ring in its axial guide provided seal designed so that it allows a small leakage.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen Teil der Turbine, die mit einer Abdichtung nach der Erfindung ausgestattet ist; Fig. 2 zeigt in größeremMaßstabe dieAnsicht eines Teiles des inneren Kolbenringes, der dazu dient, den Innenumfang des Dichtungsringes abzudichten; Fig. 3 zeigt in ähnlicher Darstellung einen Teil des äußeren Kolbenringes; Fig. 4 ist ein Diagramm, in dem in Abhängigkeit von der Spaltweite die Rückstellkräfte aufgezeichnet sind, die auf den Dichtungsring wirken.Fig. 1 shows in longitudinal section a part of the turbine with a Seal is equipped according to the invention; Fig. 2 shows on a larger scale the view of a part of the inner piston ring which serves to form the inner circumference to seal the sealing ring; Fig. 3 shows a part in a similar representation the outer piston ring; Fig. 4 is a diagram in which, depending on the Gap width the restoring forces are recorded, which act on the sealing ring.

Die Turbine besitzt ein Gehäuse 10 mit einer flachen, ringförmigen Rückwand 12 und einer gekrümmten Stirnwand 20. In der Rückwand ist ein Lager 16 für die Turbinenwelle 14 vorgesehen, an deren einem Ende das Turbinenrad 18 angeordnet ist. Das Turbinenrad 18 trägt Schaufeln 19, die mit ihrer offenen Seite der Stirnwand 20 benachbart sind. Am Umfang des Turbinengehäuses 10 liegt ein Düsenring 22, mit dessen Hilfe die zuströmenden Gase den Turbinenschaufeln 19 zugeleitet werden. Die Rückwand 12 des Turbinengehäuses besitzt einen Flansch 24, der mit einem entsprechenden Flansch 26 in der Nähe des Düsenringes 22 dichtend verbunden ist.The turbine has a housing 10 with a flat, annular rear wall 12 and a curved end wall 20. In the rear wall, a bearing 16 is provided for the turbine shaft 14, at one end of which the turbine wheel 18 is arranged. The turbine wheel 18 carries blades 19, the open side of which is adjacent to the end wall 20. A nozzle ring 22 is located on the circumference of the turbine housing 10, with the aid of which the inflowing gases are fed to the turbine blades 19. The rear wall 12 of the turbine housing has a flange 24 which is sealingly connected to a corresponding flange 26 in the vicinity of the nozzle ring 22.

Zwischen dem äußeren Umfang 28 des Turbinenrades 18 und dem inneren Umfang 30 des Düsenringes 22 ist zur Aufnahme der radialen Temperaturdehnungen des Turbinenrades ein verhältnismäßig großer Spalt vorgesehen. Dieser große radiale Abstand zwischen Turbinenrad und Düsenring würde einer beträchtlichen Menge des zuströmenden Arbeitsmittels die Möglichkeit geben, zwischen der Rückseite 31 des Turbinenrades und der Rückwand 12 des Turbinengehäuses zu entweichen, wenn nicht eine wirksame Abdichtung vorgesehen wäre. Bei manchen Anwendungsfällen ist es auch notwendig, den Druck auf der Rückseite des Turbinenrades zu vermindern, um den Axialschub herabzusetzen.Between the outer circumference 28 of the turbine wheel 18 and the inner one Perimeter 30 of the nozzle ring 22 is to accommodate the radial temperature expansions of the Turbine wheel provided a relatively large gap. This big radial The distance between the turbine wheel and the nozzle ring would be a considerable amount of the Inflowing working medium give the opportunity between the rear side 31 of the Turbine wheel and the rear wall 12 of the turbine housing to escape, if not an effective seal would be provided. In some use cases it is necessary to reduce the pressure on the back of the turbine wheel to reduce the axial thrust to belittle.

Die Abdichtungseinrichtung nach der Erfindung besteht aus einem nicht rotierenden, axial frei beweglichen Dichtungsring 42, der an seiner Vorderseite 41 zwei ringförmige Dichtungsstege 52 und 54 aufweist; diese Dichtungsstege ragen so weit vor, daß sie eine ebene Ringfläche 34, die an einem ringförmigen Ansatz 32 auf der Rückseite des Turbinenrades 18 vorgesehen ist, fast berühren.The sealing device according to the invention consists of a non rotating, axially freely movable sealing ring 42 on its front 41 has two annular sealing webs 52 and 54; these sealing webs protrude so far in front that they have a flat annular surface 34 which is attached to an annular extension 32 is provided on the back of the turbine wheel 18, almost touching it.

Die beiden ringförmigen Stege 52 und 54 bewirken ein doppeltes Druckgefälle des Arbeitsmittels, wenn es längs der Rückseite des Turbinenrades 18 entweicht. Diese Druckgefälle sorgen dafür, daß sich die axiale Lage .des Dichtungsringes 42 selbsttätig so einstellt, daß die Breite des Dichtungsspaltes zwischen den Stegen 52 und 54 einerseits und der Ringfläche 34 des Turbinenrades andererseits auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Diese selbsttätige Einstellung der Spaltweite sorgt gleichzeitig dafür, daß der Axialschub des Turbinenrades ausgeglichen wird. Gegebenenfalls kann die Fläche 34 etwa kegelig verlaufen; in diesem Falle muß die Axiallänge der Dichtungsstege 52 und 54 entsprechend angepaßt werden.The two annular webs 52 and 54 cause a double pressure gradient in the working medium when it escapes along the rear side of the turbine wheel 18. This pressure gradient ensures that the axial position of the sealing ring 42 is automatically adjusted so that the width of the sealing gap between the webs 52 and 54 on the one hand and the annular surface 34 of the turbine wheel on the other hand is kept at a predetermined value. This automatic adjustment of the gap width also ensures that the axial thrust of the turbine wheel is compensated. If necessary, the surface 34 can be approximately conical; in this case the axial length of the sealing webs 52 and 54 must be adapted accordingly.

Der Dichtungsring 42 liegt in einer ringförmigen Aussparung 40 der Rückwand 12 des Turbinengehäuses 10. Die ringförmige Aussparung 40 ist durch verstärkte Wandteile 36 bzw. 38 begrenzt, in welche Ringnuten 46 und 50 zur Aufnahme eines äußeren und eines inneren Kolbenringes 44 und 48 eingearbeitet sind. Die Kolbenringe 44 und 48 dienen dazu, die Reibung zwischen den Wandteilen und dem Dichtungsring 42 herabzusetzen, wenn letzterer sich in Axialrichtung verstellt.The sealing ring 42 lies in an annular recess 40 of the rear wall 12 of the turbine housing 10. The annular recess 40 is delimited by reinforced wall parts 36 and 38, in which annular grooves 46 and 50 for receiving an outer and an inner piston ring 44 and 48 are incorporated. The piston rings 44 and 48 serve to reduce the friction between the wall parts and the sealing ring 42 when the latter is displaced in the axial direction.

Von der Vorderseite bis zu seiner Rückseite erstrecken sich durch den Dichtungsring 42 mehrere Ausgleichkanäle 56, die den zwischen den Dichtungsstegen 52 und 54 herrschenden Druck in die von der hinteren Seite 43 des Dichtungsringes 42 abgeschlossene Ringkammer 104 übertragen wird. Die Rückseite der Ringkammer 104 ist durch eine ringförmige Kappe 58 abgedeckt, die die Schrauben 60 und 64 mit der Rückwand 12 dicht verbinden.Extending through from the front to the rear the sealing ring 42 has a plurality of equalizing channels 56 that form the between the sealing webs 52 and 54 prevailing pressure in the from the rear side 43 of the sealing ring 42 closed annular chamber 104 is transmitted. The back of the annular chamber 104 is covered by an annular cap 58 that the screws 60 and 64 with the Connect the rear wall 12 tightly.

Eine Verdrehung des Dichtungsringes 42 wird durch Ansätze 68 verhindert, die in Achsrichtung von der Innenfläche der Wand 59 der Kappe 58 aus zwischen ähnliche Ansätze 70 ragen, die in axialer Richtung von der Rückseite 43 des Dichtungsringes 42 vorstehen. Die Enden der Ansätze 68 begrenzen außerdem auch die Axialverstellung des Dichtungsringes.Rotation of the sealing ring 42 is prevented by lugs 68 which protrude in the axial direction from the inner surface of the wall 59 of the cap 58 between similar lugs 70 which protrude in the axial direction from the rear side 43 of the sealing ring 42. The ends of the lugs 68 also limit the axial displacement of the sealing ring.

Abschnitte der Kolbenringe 48 und 44 sind in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht. Die Reibung zwischen dem inneren Kolbenring 48 und dem Dichtungsring 42 wird dadurch herabgesetzt, daß in der äußeren Fläche des Kolbenringes, die mit der Innenfläche des Dichtungsringes 42 zusammenwirkt, eine Ringnut 80 vorgesehen ist. Eine Anzahl in axialer Richtung verlaufender Nuten 82 verbindet die Ringnut 80 mit der Rückseite des Kolbenringes. Die Außenfläche 84 des : Kolbenringes, die vor der Ringnut liegt, ist undurchbrochen und dichtet so den Innenumfang des Dichtungsringes 42 ab. In ähnlicher Weise ist an dem äußeren Kolbenring 44 (Fig. 3) an dessen Innenfläche eine Ringnut 90 vorgesehen, die durch axial verlaufende Nuten 92 mit der Vorderseite des Dichtungsringes verbunden ist; der hintere Teil 94 der inneren Kolbenringfläche ist dagegen voll ausgebildet. In beiden Fällen also steht die Ringnut mit der Hochdruckseite des Dichtungsringes in Verbindung.Portions of piston rings 48 and 44 are illustrated in FIGS. The friction between the inner piston ring 48 and the sealing ring 42 is thereby that reduced in the outer surface of the piston ring that coincides with the inner surface of the sealing ring 42 cooperates, an annular groove 80 is provided. A number Grooves 82 running in the axial direction connect the annular groove 80 to the rear side of the piston ring. The outer surface 84 of the: piston ring, which lies in front of the ring groove, is uninterrupted and thus seals the inner circumference of the sealing ring 42. In similarly is on the outer piston ring 44 (Fig. 3) on its inner surface an annular groove 90 is provided by axially extending grooves 92 with the front the sealing ring is connected; the rear portion 94 of the inner piston ring surface however, is fully trained. In both cases, the annular groove is on the high pressure side of the sealing ring in connection.

Die Kolbenringe 44 und 48 reichen aus, um zwischen dem Teil 12 und dem Dichtungsring 42 eine wirksame Abdichtung aufrechtzuerhalten. Da sie nur mit einer kleinen Fläche an dem Dichtungsring 42 anliegen und der übrige Teil ihrer dem Dichtungsring benachbarten Oberfläche durch die Ringnuten 80 bzw. 90 unter dem Druck ihrer Hochdruckseite steht, ist die Reibung zwischen den Kolbenringen und dem Dichtungsring 42 sehr gering. Der Dichtungsring 42 kann deshalb in axialer Richtung mit kleinem Kraftaufwand verstellt werden.The piston rings 44 and 48 are sufficient to between the part 12 and the sealing ring 42 to maintain an effective seal. Since they are only with a small area against the sealing ring 42 and the remainder of their the surface adjacent to the sealing ring by the annular grooves 80 and 90 below the The pressure on their high pressure side is the friction between the piston rings and the sealing ring 42 is very low. The sealing ring 42 can therefore in the axial direction can be adjusted with little effort.

Beim Betrieb der Turbine wird der Druck in dem ringförmigen Hochdruckraum 100 hinter dem Turbinenrad etwa ebenso groß sein wie der Druck des Arbeitsmittels in dem Spalt zwischen den Teilen 28 und 30. Dieser Druck wirkt auf denjenigen ringförmigen Abschnitt des Dichtungsringes 42, der, radial außerhalb des äußeren ringförmigen Dichtungssteges 52 liegt. Durch den engen Spalt zwischen dem Dichtungssteg 52 und der Fläche 34 auf der Rückseite des Turbinenrades entspannt sich ein geringerer Teil des Arbeitsmittels auf einen geringeren Druck in den Mitteldruckraum 102, der zwischen den Stegen 52 und 54 liegt. Dieser Druck wird durch die Ausgleichkanäle 56 auf die Rückseite des Dichtungsringes 42 übertragen, und zwar in den von der Kappe 58 abgeschlossenen Raum 104. Von dem Mitteldruckraum 102 gelangt das Arbeitsmittel durch den Spalt zwischen dem Steg 54 und der Fläche 34 in den Niederdruckraum 106, der hinter dem inneren Teil des Turbinenrades liegt. Beim Entweichen in den Niederdruckraum 106 wird der Druck des Arbeitsmittels erneut herabgesetzt. Aus dem Niederdruckraum 106 dringt die Leckmenge des Arbeitsmittels durch in der Rückwand 12 vorgesehene Löcher 98 entweder in die die Turbine umgebende Außenluft oder - bei anderen Maschinentypen - auf die Niederdruckseite der Anlage, in der die Turbomaschine arbeitet. Der innerhalb des inneren Dichtungssteges 54 liegende ringförmige Abschnitt der Vorderseite des Dichtungsringes 42 ist dem niedrigen Druck ausgesetzt, der in dem Niederdruckraum 106 herrscht.When the turbine is in operation, the pressure in the annular high-pressure space is increased 100 behind the turbine wheel must be about the same as the pressure of the working fluid in the gap between the parts 28 and 30. This pressure acts on the annular one Section of the sealing ring 42, which, radially outside the outer annular Sealing web 52 is. Through the narrow gap between the sealing web 52 and the surface 34 on the back of the turbine wheel relaxes less Part of the working fluid to a lower pressure in the medium pressure chamber 102, the lies between the webs 52 and 54. This pressure is created by the equalization channels 56 transferred to the back of the sealing ring 42, namely in the of the Cap 58 closed space 104. The working fluid arrives from the medium pressure space 102 through the gap between the web 54 and the surface 34 in the low-pressure chamber 106, which lies behind the inner part of the turbine wheel. When escaping into the low-pressure space 106 the pressure of the working medium is reduced again. From the low pressure room 106 penetrates the leakage amount of the working medium through provided in the rear wall 12 Holes 98 either into the outside air surrounding the turbine or - in the case of other types of machines - on the low-pressure side of the system in which the turbomachine works. The inside of the inner sealing web 54 lying annular section of the front side of the Sealing ring 42 is exposed to the low pressure in the low pressure space 106 prevails.

Die drei durch die Stege 52 und 54 getrennten ringförmigen Abschnitte der Vorderseite 41 des Dichtungsringes 42 sind also drei verschiedenen Drücken ausgesetzt, wogegen auf der Rückseite 43 des Dichtungsringes nur ein einheitlicherDruck lastet. Durch entsprechende Anordnung der ringförmigen Dichtungsstege 52 und 54 können diese Bereiche so festgelegt werden, daß die auf den Dichtungsring 42 wirkende Axialkraft den Dichtungsring in einer vorbestimmten Stellung hält. Eine Berührung der äußeren Ränder der ringförmigen Dichtungsstege 52 und 54 einerseits und der Fläche 34 des Turbinenrades andererseits wird durch Änderungen des Druckes in den Räumen 102 und 104 verhindert, wenn der Dichtungsring 42 sich in Achsrichtung auf das Turbinenrad zu bewegt. Nähert sieh der Dichtungsring 42 der Fläche 34, so wird der Spalt zwischen dem äußeren Rand des ringförmigen Dichtungssteges 52 und der Fläche 34 verkleinert. Bei Kleinerwerden dieses Spaltabstandes wird der Druck in dem Raum 102 und damit auch der auf die Rückseite 43 des Dichtungsringes 42 einwirkende Druck im Raum 104 erheblich herabgesetzt, da infolge des kleiner werdenden Spaltes weniger Arbeitsmittel hinter dem äußeren ringförmigenDichtungssteg 52hindurchtreten kann. Der auf den äußeren Ringabschnitt 41 wirkende hohe Druck im Raum 100 wird deshalb den Dichtungsring 42 in Achsrichtung von der Fläche 34 des Turbinenrades wegdrücken. Bei dieser Bewegung wird der Druck im Raum 102 und der auf der Rückseite des Dichtungsringes lastende Druck im Raum 104 zunehmen, da der Spalt zwischen dem äußeren ringförmigen Steg 52 und der Fläche 34 größer wird, so daß sich die auf den Ring 42 wirkende resultierende Axialkraft vermindert und der Dichtungsring schließlich in einer mittleren Stellung zur Ruhe kommt.The three annular sections separated by the webs 52 and 54 the front side 41 of the sealing ring 42 are therefore exposed to three different pressures, whereas on the rear side 43 of the sealing ring only a uniform pressure is applied. By appropriate arrangement of the annular sealing webs 52 and 54, these can Areas are set so that the acting on the sealing ring 42 axial force holds the sealing ring in a predetermined position. A touch of the outside Edges of the annular sealing webs 52 and 54 on the one hand and the surface 34 of the Turbine wheel on the other hand is due to changes in the pressure in the spaces 102 and 104 prevents the sealing ring 42 from moving axially onto the turbine wheel too moved. If you see the sealing ring 42 of the surface 34, the gap between the outer edge of the annular sealing web 52 and the surface 34 is reduced. When this gap distance becomes smaller, the pressure in the space 102 and thus also the pressure acting on the rear side 43 of the sealing ring 42 in the space 104 considerably reduced, since fewer working materials as a result of the narrowing gap can pass behind the outer annular sealing ridge 52. The one on the outer ring portion 41 acting high pressure in space 100 is therefore the sealing ring Press 42 axially away from surface 34 of the turbine wheel. With this movement becomes the pressure in space 102 and that on the back of the sealing ring Pressure in space 104 will increase as the gap between the outer annular ridge 52 and the area 34 is larger, so that the acting on the ring 42 resulting Axial force is reduced and the sealing ring is finally in a central position comes to rest.

Beim Hindurchtritt durch die beiden Spalte zwischen den Dichtungsstegen 52, 54 und der Fläche 34 tritt also ein Druckabfall auf und, wie bereits eingangs erläutert, ändert sich der im Raum 102 herrschende Druck in Abhängigkeit von der Spaltgröße. Die beiden ringförmigen Spalte sind, in Strömungsrichtung gesehen, hintereinandergeschaltet, und daher muß die gesamte den einen Spalt passierende Gasmenge auch durch den anderen Spalt hindurch. Dabei muß nun berücksichtigt werden, daß die beiden Spaltquerschnitte nicht gleich groß sind. Der durch den Steg 52 gebildete Spalt besitzt eine größere Querschnittsfläche, weil der Radius des ringförmigen Dichtungsringes 52 größer als als der des Steges 54 ist. Die spezifische Belastung beider Ringspalte, d. h. die Durchtrittsgeschwindigkeit des Gases, ist wegen der verschiedenen Querschnittsflächen verschieden groß, und daher erklärt sich die Tatsache, daß sich ein vom Spaltabstand abhängiger Druck im Raum 102 ergibt. Wichtig für die Funktion der Anordnung ist außerdem, daß zwischen dem Raum 104 und dem Niederdruckraum 106 eine Verbindung geringen Querschnitts besteht. Die Verbindung ergibt sich bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform aus der Tatsache, daß der Kolbenring 48 keine absolute Abdichtung bewirkt, sondern einen geringen Leckverlust zuläßt. In anderen Fällen kann hierfür eine besondere Bohrung verwendet werden. Mit dieser Verbindung zwischen den beiden Räumen wird die Arbeitsweise der Vorrichtung auch dann sichergestellt, wenn einmal kurzzeitig ungewöhnliche Betriebsverhältnisse auftreten. Der Dichtungsring 42 kann durch irgend- ; einen Zufall einmal an der Fläche 34 zur Anlage kommen, so daß die Dichtungsstege auf dieser Fläche schleifen. Dann baut sich in der Kammer 104 ein hoher Druck auf, der den Ring 42 gegen das Turbinenrad preßt. Ist daher die erwähnte Verbindung zwischen der Kammer 104 und dem Niederdruckraum 106 vorgesehen, so kann dieser Druck nicht erst entstehen oder, falls er entstanden sein sollte, kann dieser Druck sich über diese Verbindung zum Niederdruckraum hin ausgleichen, so daß der Dichtungsring 42 wieder von der Fläche 34 des Turbinenrades abgehoben werden kann.When passing through the two gaps between the sealing webs 52, 54 and area 34 so if there is a pressure drop and how already explained at the beginning, the pressure prevailing in space 102 changes as a function on the gap size. The two annular gaps are seen in the direction of flow, connected in series, and therefore the entire must pass the one gap Amount of gas also through the other gap. It must now be taken into account that the two gap cross-sections are not the same size. The one formed by the web 52 Gap has a larger cross-sectional area because of the radius of the annular Sealing ring 52 is larger than that of the web 54. The specific load both annular gaps, d. H. the rate of passage of the gas is because of the different cross-sectional areas of different sizes, and this explains the fact that there is a pressure in space 102 that is dependent on the gap distance. Important for the The function of the arrangement is also that between the space 104 and the low-pressure space 106 there is a connection of small cross-section. The connection arises at the embodiment shown in Fig. 1 from the fact that the piston ring 48 does not produce an absolute seal, but allows a small amount of leakage. In other cases a special hole can be used for this. With this Connection between the two rooms will also make the device work then ensured if unusual operating conditions occur briefly. The sealing ring 42 can by any-; a coincidence once at the surface 34 Come system so that the sealing bars grind on this surface. Then build In the chamber 104 a high pressure, which the ring 42 against the turbine wheel presses. Is therefore the mentioned connection between the chamber 104 and the low-pressure space 106 provided, this pressure cannot arise in the first place or if it did arise should be, this pressure can be via this connection to the low-pressure chamber equalize so that the sealing ring 42 again from the surface 34 of the turbine wheel can be withdrawn.

Wird also die radiale Lage der beiden ringförmigen Dichtungsstege 52 und 54 richtig gewählt, so kann jeder gewünschte Spalt zwischen diesen Stegen und der Fläche 34 aufrechterhalten werden. Auch wenn nur ein sehr schmaler Spalt aufrechterhalten bleibt, wird eine Berührung zwischen dem nicht umlaufenden Dichtungsring 42 und dem umlaufenden Turbinenrad vermieden. Die Änderung der von dem Arbeitsmittel auf den Dichtungsring 42 ausgeübten Axialkräfte bewegt diesen jeweils in der Richtung, die notwendig ist, um den gewünschten Mindestabstand aufrechtzuerhalten.So is the radial position of the two annular sealing webs 52 and 54 are chosen correctly, so any desired gap can be between these webs and surface 34 are maintained. Even if only a very narrow gap is maintained, there is contact between the non-rotating sealing ring 42 and the rotating turbine wheel avoided. The change of the work equipment Axial forces exerted on the sealing ring 42 move it in the direction which is necessary to maintain the desired minimum distance.

Immer wenn sich der Ring 42 der Fläche 34 zu stark nähert oder sich zu sehr von ihr entfernt, wird eine Rückstellkraft in der richtigen Richtung wirksam, um den gewünschten kleinen Spalt aufrechtzuerhalten und damit den zulässigen geringen Leckverlust sicherzustellen. Diese Rückstellkraft ist im Diagramm der Fig. 4 veranschaulicht; sie ist immer so gerichtet, daß sie den Dichtungsring 42 in seine gewünschte bzw. vorbestimmte Axiallage zurückführt. Auf der waagerechten Achse des Diagramms Fig. 4 sind die Spaltgrößen und auf der senkrechten Achse i ist die Rückstellkraft aufgezeichnet. Dabei entspricht die Ziffer 2 an der Abszisse der gewünschten Spaltgröße; das Diagramm zeigt, daß und in welcher Weise bei Abweichung der Spaltgröße von diesem vorgeschriebenen Wert sich sogleich eine starke Rückstellkraft bemerkbar macht, die den Dichtungsring wieder in die vorgesehene Stellung zurückführt.Whenever the ring 42 approaches or approaches the surface 34 too closely too far away from it, a restoring force is effective in the right direction, in order to maintain the desired small gap and thus the allowable small gap To ensure leakage loss. This restoring force is illustrated in the diagram of FIG. 4; it is always directed so that it the sealing ring 42 in its desired or returns predetermined axial position. On the horizontal axis of the diagram Fig. 4 are the gap sizes and the restoring force is plotted on the vertical axis i. The number 2 on the abscissa corresponds to the desired gap size; the diagram shows that and in what way if the gap size deviates from this prescribed A strong restoring force is immediately noticeable, which affects the sealing ring returns to the intended position.

Die beschriebene Dichtungsanordnung ermöglicht es auch, den Axialschub des Turbinenrades mit Hilfe der axialen Rückstellkraft auszugleichen, die sich aus den verschiedenen auf die Rückseite des Turbinenrades ausgeübten Drücken ergibt.The sealing arrangement described also enables the axial thrust of the turbine wheel with the help of the axial restoring force, which results from gives the various pressures exerted on the back of the turbine wheel.

Die Erfindung schafft also eine sich selbsttätig einstellende Abdichtungsvorrichtung, die automatisch einen Mindestspalt zwischen dem orstfesten Dichtungsring und dem umlaufenden Teil der Maschine aufrechterhält. Dieser Mindestspalt wird auch aufrechterhalten, wenn die Abmessungen der einzelnen Turbinenteile sich infolge der Temperaturschwankungen oder Umlaufwirkungen ändern. Dies ist vor allen Dingen bei Gasturbinen u. dgl. bedeutsam, deren Abmessungen im Betriebe ganz beträchtlichen Änderungen ausgesetzt sind. Die Abdichtung ist also über einen weiten Bereich von Arbeitsbedingungen hinweg wirksam, ohne daß sie einer Einstellung bedarf.The invention thus creates a self-adjusting sealing device, which automatically creates a minimum gap between the stationary sealing ring and the the rotating part of the machine. This minimum gap is also maintained when the dimensions of the individual turbine parts change as a result of temperature fluctuations or change circulation effects. This is especially important for gas turbines and the like, the dimensions of which are subject to considerable changes in the company. the Sealing is therefore effective over a wide range of working conditions, without needing any attitude.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Gap seal between a front or partition wall of a machine housing and a flat ring surface on a circumferential in the housing Rotor with a radial sealing gap delimiting the housing side, a annular chamber in the housing wall axially movable sealing ring, which, together with the rotor, divides and subdivides two spaces of different pressure the effect of the pressures acting in these spaces and in the annular chamber automatically sets a predetermined axial width of the sealing gap, thereby characterized in that the sealing ring (42) is on the end face facing the rotor (18) (41) has concentric annular sealing webs (52, 54) and with channels (56) is provided which the pressure prevailing in the space (102) between the sealing webs transferred into the annular chamber (104) in the housing wall (12), this chamber is connected via a narrow channel to the space (106) of lower pressure and the radii of the sealing webs (52, 54) are chosen so that the on the end face (41) of the sealing ring prevailing pressures on the sealing ring an axial force exercise which is due to the king chamber pressure on its rear side (43) with the desired gap width between the sealing webs and the flat ring surface (34) of the rotor (18) keeps the equilibrium.

2. gap seal according to claim 1, characterized characterized in that the sealing ring (42) has cylindrical guide surfaces, in which it is in a manner known per se between likewise cylindrical side walls an annular recess (40) in the housing wall (12) sealed and guided is.

3. gap seal according to claim 2, characterized in that for sealing of the sealing ring (42) in the recess (40) piston ring-like clamping rings (44, 48) are provided, in each of whose sliding surfaces an annular groove (80, 90) is arranged, which with that side of the Clamping ring is in connection, on which the higher pressure prevails.

4. gap seal according to claim 2 or 3, characterized in that instead of the channel for connecting the annular chamber (104) with the space (106) of lower pressure, the seal (48) is designed so that it allows a low leakage loss. Considered publications: German Patent Specifications No. 524 515, 974 262; German patent application F 13982 I a / 14 c (published on July 7, 1955); German interpretation S 41769 XII / 47f (published on March 3, 1956); French Patent No. 1080 842; British Patent No. 648 824.