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Labyrinthstopfbüchse Die Erfindung bezieht sich auf eine Labyrinthstopfbüchse
zwischen einem drehbaren und einem feststehenden Bauteil, beispielsweise für Kreiselradmaschinen
mit am drehbaren und/oder feststehenden Bauteil angeordneten Labyrinthringen.
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Die Abdichtung durch Labyrinthe beruht darauf, daß in dem engen Spalt
zwischen dem drehbaren und nicht drehbaren Bauteil durch Expansion eine gewisse
Geschwindigkeit des Mediums erzeugt wird, die dann in der darauffolgenden Querschnittserweiterung
vernichtet wird, so daß die Expansion im nächsten engen Spalt wieder von der Geschwindigkeit
Null aus anfängt.
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Es sind Labyrinthstopfbüchsen bekannt, bei denen das Medium über hintereinander
geschaltete Drosselstellen strömen muß. Nach jeder Drosselstelle wird das Medium
einer Wirbelkammer zugeführt, wo seine kinetische Energie in Wärme umgesetzt werden
soll. Dies gelingt jedoch nur unvollkommen, weil die Strömung durch eine in der
Wirbelkammer gebildete sogenannte Totströmung geebnet wird und mit einer Vorgeschwindigkeit
von einer Drosselstelle zur anderen gelangt. Diese Erscheinung ist insbesondere
bei Durchblickslabyrinthen zu beobachten, die im Turbinenbau wegen der axialen Verschiebbarkeit
des drehbaren Bauteiles bevorzugt verwendet werden.
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Es sind auch Labyrinthstopfbüchsen bekannt, bei denen zur Vermeidung
der vorgenannten Nachteile eine solche Gestaltung der Wirbelkammern vorgesehen ist,
durch die die Verwirbelung des Leckmediums zwischen den einzelnen Labyrinthspalten
erhöht und die Geschwindigkeit der Hauptströmung verringert wird. Bei diesen bekannten
Labyrinthstopfbüchsen werden durch ringförmige Vertiefungen bzw. Eindrehungen in
den dichtenden Flächen Kammern mit schräg gegen die Dichtungsfläche gerichteten
Verbindungsspalten gebildet, wobei die in den Kammern sich bildende Wirbelströmung
der Hauptströmung am Spalt in einem spitzen Winkel entgegengerichtet ist, so daß
die Hauptströmung weitgehend abgelenkt bzw. durch Wirbel gestört wird.
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Die Störung des von einer Wirbelkammer zur nächsten übertretenden
Strahles durch die seitlich auf ihn treffende Wirbelströmung ist jedoch bei diesen
bekannten Anordnungen nicht heftig genug, um eine vollkommene Vernichtung der Strömungsenergie
der Hauptströmung an diesen Stellen zu erzielen, so daß die Hauptströmung stets
noch eine gewisse Vorgeschwindigkeit behält bzw. die Expansion im Spalt nicht von
der Geschwindigkeit Null aus anfängt.
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Es sind andererseits auch Labyrinthdichtungen für die Treibmittel
umlaufender Maschinen bekanntgeworden, bei denen in den Dichtungskämme bildenden
Labyrinthringen Öffnungen bzw. Kanäle vorgesehen sind. Durch die Anordnung dieser
Kanäle soll innerhalb des Strömungsverlaufes durch ejektorartige Wirkung des Leckmediums
eine Rückführung und Umwälzung desselben um den Dichtungskamm erzielt werden, die
dem Durchfiuß des Leckmediums durch die Labyrinthdichtung entgegenwirkt. Die an
sich schon sehr schwer herstellbaren und teuren Rückführungskanäle müßten in sehr
großer Zahl über den Umfang verteilt vorgesehen werden, um einen nennenswerten Effekt
zu ergeben. Andererseits wird auch durch diese Kanäle nicht verhindert, daß ein
erheblicher Restteil der Hauptströmung mit einer gewissen Vorgeschwindigkeit von
Drosselstelle zu Drosselstelle gelangt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorstehend
erwähnten Nachteile eine gegenüber den bekannten Anordnungen besonders wirksame
und zweckmäßige Labyrinthdichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die ringförmigen Vorsprünge
am drehbaren und/oder feststehenden Bauteil in an sich bekannter Weise so ausgebildet
sind, daß zur Verwirbelung der Hauptströmung zwischen den einzelnen Labyrinthspalten
ein Teilstrom gebildet wird, welcher der Hauptströmung am Spalt unter einem Winkel
entgegengerichtet ist, und daß die Labyrinthringe so angeordnet sind, daß jedem
in sich geschlossenen Labyrinthring ein mit Öffnungen versehener, d. h. offener
Labyrinthring zugeordnet ist, wodurch zwischen zwei geschlossenen Labyrinthringen
eine Kammer mit einem Einströmspalt und einem Ausströmspalt gebildet wird.
Dabei
ist der Ausströmspalt vorzugsweise enger als der Einströmspalt.
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Das durch den Einströmspalt in die Wirbelkammer gelangte Medium trifft
beim Verlassen der Wirbelkammer durch den verengten Ausströmspalt auf die Hauptströmung,
die zwischen dem drehbaren und dem nicht drehbaren Bauteil in Durchblicksrichtung
vorzudringen sucht und zwingt diese Strömung zum Abweichen in die Wirbelkammer.
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Dabei tritt, insbesondere wenn der Ausströmspalt in Austrittsrichtung
des Mediums entsprechend verengt, d. h. düsenartig ausgebildet ist, der Teilstrom
mit einer verhältnismäßig sehr hohen Geschwindigkeit aus und trifft auf die Hauptströmung,
so daß diese durchstoßen bzw. so energisch verwirbelt wird, daß die Geschwindigkeit
der Hauptströmung an dieser Stelle praktisch vernichtet wird. Die Expansion im nächsten
Spalt muß daher von der Geschwindigkeit Null beginnen.
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Die Ablenkung der Hauptströmung im Spalt zwischen dem drehbaren und
nicht drehbaren Bauteil kann nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch verbessert
werden, daß gegenüber den Ausströmspalten des mit Labyrinthringen versehenen drehbaren
oder nicht drehbaren Bauteiles Nuten im anderen Bauteil angeordnet werden, deren
Breite der Breite der Ausströmspalte etwa entspricht. Die Nuten können im Querschnitt
V-förmig oder kreisbogenförmig sein.
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Die Anordnung kann auch in der Weise getroffen sein, daß je einem
Paar Labyrinthringe beispielsweise des drehbaren Bauteiles am nicht drehbaren Bauteil
ein Labyrinthring mit einer Planschartigen axialen Abwinklung zugeordnet ist, die
sich beiderseits über den vom Labyrinthringpaar gebildeten Ausströmspalt hinaus
erstreckt.
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Als besonders günstig ist eine Anordnung zu betrachten, bei der je
einem Paar Labyrinthringe mit kleinerem Durchmesser ein Paar mit größerem Durchmesser
folgt, wobei einem Paar Labyrinthringe mit kleinerem Außendurchmesser, beispielsweise
am drehbaren Bauteil, ein Labyrinthring mit kleinerem Innendurchmesser seiner Abwinklung
am nicht drehbaren Bauteil zugeordnet ist, dem ein ebenfalls mit Abwinklung versehener
Labyrinthring mit größerem Innendurchmesser folgt, dem seinerseits ein Paar Labyrinthringe
mit größerem Außendurchmesser zugeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist es möglich,
die Hauptströmung durch eine unmittelbar entgegengesetzt gerichtete, aus der Kammer
kommende Strömung zum Eintritt in die Wirbelkammer abzulenken.
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Auf der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in verschiedenen
Ausführungsbeispielen veranschaulicht, und zwar zeigt in schematischer Darstellungsweise
; Fig. 1 eine aus geschlossenen und offenen Labyrinthringen gebildete Stopfbüchse,
Fig. 2 die Ansicht eines offenen Labyrintbringes, in verkleinertem Maßstab, Fig.3
eine Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Stopfbüchse und Fig. 4 eine aus geschlossenen
und offenen Labyrinthringen am drehbaren und nicht drehbaren Bauteil bestehende
Stopfbüchse.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind der nicht drehbare
Bauteil mit 11, der drehbare Bauteil mit 12, der geschlossene Labyrinthring mit
13, der mit öffnungen 14 versehene, d. h. offene Labyrinthring mit 15, die Wirbelkammer
zwischen zwei geschlossenen Labyrinthringen 13 mit 16, der Einströmspalt mit 17
und der Ausströmspalt mit 18 bezeichnet.
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Das in der Pfeilrichtung A in den Spalt 22 zwischen dem drehbaren
12 und dem nicht drehbaren Bauteil 11 einströmende Medium trifft im Bereich
der Ausströmspalte 18 auf die aus der Kammer kommende Strömung und wird dabei zu
einem wesentlichen Teil zur Wirbelbildung abgelenkt. Das in der Folge durch den
Spalt am geschlossenen Labyrinthringe 13 strömende Medium gelangt zu einem wesentlichen
Teil in die Kammer 16 zwischen den beiden geschlossenen Labyrinthringen 13.
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Das in Fig.3 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen
dem in Fig. 1 gezeigten. An Stelle durch die in Fig. 1 dargestellten besonderen
Leit- oder Staurippen 19 erfolgt die Verengung des Ausströmspaltes 18 im
Falle der Fig. 3 durch eine entsprechende Formgebung der schräg abgewinkelten Ränder
der geschlossenen und offenen Labyrinthringe 13,15. Gegenüber den Ausströmspalten
18 sind am drehbaren Bautei112 Ringnuten 20 angeordnet, die im Querschnitt V-förmig
sind. Diese Nuten 20 begünstigen die Ablenkung der Hauptströmung durch die schräg
entgegengerichtet aus der Kammer 16 kommende Strömung. Zugleich wird in den Ringnuten
20 eine zusätzliche Verwirbelung erreicht.
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Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist je einem Paar
Labyrinthringe, das aus einem geschlossenen 13 und offenen 15 Labyrinthring besteht
und beispielsweise am drehbaren Bauteil 12 angeordnet ist, am nicht drehbaren Bauteil
ein geschlossener Labyrinthring 23 oder ein offener Labyrinthring 24 zugeordnet.
Die geschlossenen und offenen Labyrinthringe 23 und 24 haben flanschartige axiale
Abwinklungen 23', 24', die sich beiderseits über den vom Labyrinthring Paar 13,
15 gebildeten Ausströmspalt 1.8 hinaus erstrecken.
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Je einem Paar Labyrinthringe 13, 15 mit kleinerem Durchmesser folgt
ein Paar mit größerem Durchmesser, wobei einem Paar Labyrinthringe 13, 15 mit kleinerem
Außendurchmesser eingeschlossener Labyrinthring 23 mit kleinerem Innendurchmesser
der Abwinklung 23' zugeordnet ist, dem ein offener Labyrinthring 24 mit einer Abwinklung
24' mit größerem Innendurchmesser folgt, dem seinerseits ein Paar Labyrinthringe
13, 15 mit größerem Außendurchmesser zugeordnet ist.
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Bei dieser Ausführungsform trifft jeweils die aus der Kammer kommende
Strömung entgegengesetzt auf die Hauptströmung, wobei eine zuverlässige Ablenkung
der Hauptströmung in die Kammern am drehbaren oder nicht drehbaren Bauteil gewährleistet
ist.