DE1700164A1

DE1700164A1 - Dichtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE1700164A1
Application number: DE19641700164
Authority: DE
Inventors: Tanzberger Eric Walter
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1963-08-23
Filing date: 1964-08-10
Publication date: 1970-12-23
Also published as: US3392910A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Dichtung zwischen relativ umlaufenden Teilen und insbesondere auf eine Dichtung, die gegen das Entweichen von Strömungsmitteln durch eine Öffnung in Vorrichtungen wirksam ist, die einen Mantel einschließen, der eine Kammer bildet, in der ein Strömungsmittel relativ hohen Druckes eingeschlossen sein kann und die eine solche Öffnung aufweist, durch welche sich ein Ürehglied erstreckt.

Der Hauptzweck der Erfindung besteht darin, eine solche Dichtung zu schaffen, die einen hohen Grad von Wirksamkeit hat, um das■-Entweichen von einem Strömungsmittel zu verhindern, welches eingeschlossen sein soll.

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Ein anderer Zweck ist die Schaffung einer solchen Dichtung, die ihren hohen Grad an Wirksamkeit über eine weite Änderung in der Umgebungstemperatur aufrecht erhält, welche einer Abmessungsänderung von Konstruktionsteilen Vorschub leistet.

Ein anderer Zweck ist die Schaffung einer Lichtung, die normalerweise keinen Bauteil aufweist, der das Drehglied berührt und daher keinem Verschleiß unterworfen ist.

Ein weiterer Zweck ist die Schaffung einer solchen Dichtung, die so konstruiert ist, daß, selbst wenn Berührung zwischen ihr und dem Drehglied eintritt, nicht beschädigt .wird, um ihre Dichtungswirksamkeit zu verlieren.

Ein weiterer Zweck ist die Schaffung einer solchen Dichtung, welche in der Konstruktion verhältnismäßig einfach ist.

Obwohl die Dichtung nach der Erfindung in irgendwelchen geeigneten Vorrichtungen benutzt werden kann, findet sie besonders vorteilhafte Anwendung in einem Zentrifugalgaskompressor, der ein Proseßgas von einer solchen Natur behandelt, daß es höchst wichtig ist_? sein Entweichen aus dem Xomprsssorgehäiise längs der Laufradaatriebswelle zu verhindere.

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Ein Beispiel ist ein Zentrifugalkompressor, der als Heliumwiedergewinner in einer Kernanlage benutzt wird, wo das Heliumgas radioaktiv verunreinigt wird und dasüichtungsproblem besonders schwierig gemacht ist, wegen des niederen Molokulargewichtes des Heliums, welches dasselbe mit hoher Durchdringbarkeit versieht.

Gemäß der Erfindung ist eine Dichtungsvorrichtung geschaffen, die einen Mantel enthält, der eine Kammer bildet, in der ein Strömungsmittel relativ hohen Druckes eingeschlossen sein kann und der eine Öffnung hat, durch welche ein Drehglied verläuft, eine Einrichtung, um gegen das Entweichen des Strömungsmittels durch diese Öffnung ab"-zudichten, welche Einrichtung einen Hing enthält, der in der Öffnung angeordnet ist und das Drehglied umgibt, min-

i destens einen Satz von ringförmigen labyrinthdichtungselementen an der Innenseite des Ringes, die sich radial nach einwärts gegen das Drehglied erstrecken, Anlageelemente an der Innenseite des Ringes an entgegengesetzten Äxiaienden der Dichtungs elemente und die sich radial nach einwärts mindestens so weit wie die Dichtungselemente erstrecken, um für Stegoberflächen zu sorgen, die dem Drehglied gegenüber gestellt und normal im Abstand davon angeordnet sind, aber dasselbe angreifen können sowie Dichtungsmittel, die wirk-

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sam zwischen dem Ring und das Gehäuse eingefügt sind.

Zum "besseren Verständnis der Erfindung ist dieselbe

nachfolgend beispielsweise unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen sind:

Fig*. 1 eine Seitenansicht eines Zentrifugalgaskompressors, teilweise im Aufriß und teilweise im Schnitt, der mit einer gemäß der Erfindung konstruierten Dichtungsbaugruppe ausgestattet ist,

Fig. 2 eine vergrößerte teilweise Längsmittelschnittansieht der in Fig. 1 gezeigten Dichtungsbaugruppe sowie zugeordnete Kompressorteile,

Fig. 3 eine teilweise Querschnittsansicht nach Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine teilweise Querschnittsansicht nach Linie 4-4 in Fig. 2,

Fig. 5 eine noch weitere vergrößerte, teilweise Längs-

mittelschnittansicht eines Endteiles der in Fig. 1 gezeigten Dichtungsbaugruppe und zugeordnete Kompressorteile.

Der Zentrifugalgaskompressor ist so dargestellt, daß er einen stationären Mantel aufweist, welcher allgemein mit 10 bezeichnet ist und der eine Gehäuseverbindung 11 einschließt, die eine Öffnung an einer Seite besitzt, welche

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durch'-eine abnehmbare Endkopfverbindung 12 geschlossen ist. Durch diese Öffnung ist ein Laufrad 13 einsetzbar, welches in geeigneter Weise an einem Ende einer horizontalen Antriebswelle 14 befestigt ist. Das Laufrad 13 kann von irgendeiner geeigneten Konstruktion sein und ist zur Drehung in einer Kammer 15 von zweckmäßiger Gestalt angeordnet, die durch das Gehäuse und die Endkopfverbindungen 11 und 12 vorgesehen ist, um Gas durch einen Einlaßkanal 16 zu saugen und dasselbe, nachdem es komprimiert ist, durch einen Auslaßkanal 17 abzugeben.

Die Endkopfverbindung 12 ist so gezeigt, daß sie einen Dichtungsgehäuseteil 19 enthält, einen Trommelteil 20, der sich davon seitlich nach aufwärts erstreckt und einen Deckel 21, der das Außenende dieses Trommelteiles schließt. Die Laufradwelle 14 ist auf einer inneren Lagerverbindung 22 und einer äußeren Schub- und Lagerverbindung 23 gelagert. Diese Lagerverbindungen sind in einem Abteil 24 angeordnet, welches durch die Teile 19 bis 21 der Endkopfverbindung 12 vorgesehen ist und sind zweckmäßig daran montiert. Die Laufradantriebswelle erstreckt sich durch Öffnungen in den Gliedern, welche die Endwände für das Abteil 24 bilden. Die innere Öffnung, die allgemein mit 25 bezeichnet ist, ist in dem Dichtungsgehäuseteil 19 vorgesehen. Die äußere öffnung ist bei 26 gezeigt und in dem Deckel 21 vorgesehen.

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Die Dichtungsbaugruppe der Erfindung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet ist, ist wirksam in der Öffnung 25 zwischen dem Dichtungsgehäuseteil 19 und der Welle 14 angeordnet und ist wirksam gegen das Entweichen von Gas aus der Laufradkammer 15 durch diese Öffnung 25. Die Dichtungsbaugruppe 28 enthält einen ortsfesten Labyrinthdichtungsring 29, der eine drehbare Hülse 30 um-. gibt, die in zweckmäßiger Weise auf der Drehwelle 14 angebracht ist, um sich damit zu drehen, hat eine zylindrische

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Umfangsoberfläche/die mit der Wellenachse konzectrisch ist.

Obwohl diese Wellenhülse 30 in irgendeiner geeigneten Weise angebracht sein kann, ist sie so dargestellt, daß sie ein Paar von axial auf Abstand stehenden inneren ringförmigen Rippen 32 und 33 aufweist, die mit inneren, zylindrischen Oberflächen versehen sind, welche äußere zylindrische Oberflächen 34 bzw. 35 angreifen, die auf der Welle 14 vorgesehen sind. Zwischen diesen Rippen 32 und 33 ist die Wellenhülse 30 mit einem Paar diametral entgegengesetzten radialen Löchern 37 versehen und zwar für einen Zweck, der nachfolgend erklärt wird. Der Außenendteil 36 der Wellenhülse 30 ist radial dicker und umgibt einen zylindrischen Wellenteil 38 von reduziertem Durchmesser, der mit einer ringförmigen Außennut 39 versehen ist® Dieser riülsenteil 36 is!; so'gazeigt,

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daß er eine radial angeordnete Einstellschraube 40 tragt, deren inneres Ende in die Wellennut 39 eintritt, um die relative Axialbewegung zwisehen der Hülse 30 und der Welle 14 zu verhindern. Ein Keil 41 ist wirksam zwischen dem Hülsenteil 36 und dem Wellenteil 38 eingefügt, um die relative !Drehung zwischen der Hülse 30 und der Welle 14. zu verhindern. Da die Hülse 30 auf diese Weise sowohl gegen axiale als Drehbewegung relativ zu der Welle 14 befestigt ist, kann sie als ein Teil derselben angesehen werden.

Der Dichtungsring 29 ist so dargestellt, daß er aus einem Stück an seiner Innenseite mit axial im Abstand angeordneten äußeren und inneren, ringförmigen Anlagegliedern 42 und 43 ausgebildet ist, wobei das letztere sich in der Hähe des Laufrades 13 befindet. Jedes dieser Änlageglieder 42 und 43 hat eine radial nach einwärts gekehrte zylindrische Stegoberfläche 44, welche der radial nach auswärts-gekehrten zylindrischen Oberfläche 31 an der Wellenhülse 30 gegenüberliegt und ist normalerweise im Abstand davon angeordnet , um für einen Spielraum zu sorgen, der typisch bei 45 in Fig. 5 für das innere Anlageglied 43 gezeigt ist. Die Stegoberflächen 44 der beiden Anlageglieder 42 und 43 sind konzentrisch und so dargestellt, daß sie den gleichen Innendurchmesser haben. Während der Spielraum 45 normalerweise zwischen

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jeder Anlageleistenoberflache 44 und der gegenüberliegenden Yi ellenhülsenoberf lache 31 für einen nachfolgend zu erklärenden Zweck vorgesehen ist, können diese Oberflächen 44 und 31 miteinander in Eingriff treten.

tier Dichtungsring 29 ist auch aus einem Stück an seiner Innenseite mit axial auf Abstand stehenden inneren und äusseren Gruppen von ringförmigen Labyrinthdichtungselementen ausgebildet, die zwischen den Anlagegliedern 42 und 43 angeordnet sind. Die innere mit 46 bezeichnete Gruppe enthält eine Mehrzahl von ringförmigen Labyrinthdichtungselementen, die bei 47 dargestellt sind und die äußere Gruppe, die mit 49 bezeichnet ist, enthält eine Mehrzahl von ringförmigen Labyrinthdichtungselementen, die bei 50 dargestellt sind. Die Dichtungselemente 47 sind einander ähnlich und haben die Natur von kreisförmigen Rippen oder Flossen, die von der Basis zur Spitze in einer Richtung geneigt sind, die sich radial nach einwärts und axial nach auswärts von der Laufradkammer 15 weg erstreckt. Andererseits sind, während die Dichtungselemente 50 ebenfalls als kreisförmige Rippen oder Flossen einander ähnlich gezeigt sind, diese von der Basis zur Spitze in einer Richtung geneigt, die radial nach einwärts und axial nach einwärts gegen die Laufradkammer 15 verläuft. Auf diese Weise sind die Dichtungs-

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elemente in einer der Gruppen 46 oder 49 derselben konvergierend in einer radialen Einwärtsrichtung mit Bezug auf die Dichtungselemente in der anderen dieser Gruppen geneigt. Jedes der Labyrinthdichtungselemente 47 und 50 hat parallele Seitenoberflächen, wobei die eine angrenzend an ihrem Spitzenrand gegen die andere verjüngt ist, um für eine ununterbrochene ringförmige Kante oder Spitze 51 zu sorgen, die eine kreisförmige Gestalt hat, wenn sie axial betrachtet wird, und die mit den Anlagestegoberflächen konzentrisch ist und eine vergleichsweise viel kürzere Breite in Axialrichtung aufweist. Die kreisförmigen Spitzen 51 aller Dichtungselemente 47 und 50 sind miteinander konzentrisch und haben den gleichen Durchmesser.

Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die zylindrische Stegoberfläche 44 jedes der Anlageglieder 42 und 43 eine viel größere Breite in Axialrichtung hat, als irgendeine der Spitzen 51 der Laby-'rinthdichtungselemente 47 und 50.

Ein anderes wichtiges und damit in Beziehung stehendes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Innendurchmesser der Stegoberflächen 44 nicht größer als der der Spitzen 51 ist. Mit anderen Worten sind die Stegoberflächen 44 radial nach einwärts mindestens soweit wie die Spitzen 51 angeordnet.

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Sollte eine radiale Verstellung des Ringes 29 relativ zu der Wellenhülse 30 vorhanden sein, um diese beiden Glieder in den Kontakt miteinander zu bringen, so wird die Stegoberfläche 44 die Umfangsoberfläche 31 an der lellenhülse mindestens sobald angreifen, wie die¹ Spitzen 51 diese Oberfläche 31 angreifen. Wenn der Innendurchmesser der Stegoberfläche 44 etwas geringer als derjenige der Spitzen 51 ist, wie es bei manchen Verwendungen erwünscht sein kann, wird ersichtlich sein, daß die Stegoberfläche 44 die nYellenhülsenoberfläche 31 angreifen und den Kontakt der Spitzen mit dieser Oberfläche verhindern wird. Der radiale Kontakt des Ringes 29 mit der ?/ellenhülse 30 entweder im voraus oder im wesentlichen gleichzeitig mit den Dichtungselementspitzen 51 wird die Beschädigung dieser Spitzen verhindern. Auf diese Weise wirken die Anlagestegoberflächen als Puffer, um die Beschädigung an den Spitzen der Labyrinthdichtungselemente zu verhindern.

Die Dichtungsmittel sind so dargestellt, daß sie wirksam zwischen dem Dichtungsring 29 und dem umgebenden Mantelteil 19 eingefügt sind und diese Mittel erlauben eine relative Radialbewegung dazwischen. Für diesen Zweck ist der Ring 29 mit einem Paar social auf Abstand stehenden Außen- und Innsnimten 52 bzw. 53 versehen, In der iüit 52 ist ein

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ringförmiger Spaltring 54 angeordnet. Bin ähnlicher Spaltring 55 ist in der anderen Nut 53 angeordnet. Die Spaltringe 54 und 55 sind von der Kolbenringart, variabel im Umfangsausmaß und werden radial nach auswärts in den Dichtungseingriff mit einer gegenüberliegenden Oberfläche gedrängt. In dem Falle des Ringes 54 greift seine Umfangsoberfläche eine innere zylindrische Oberfläche 56 an, die an dem ringförmigen Flanschteil 57 eines ringförmigen Dichtungsgehäusegliedes 58 gebildet ist. Der Flanschteil 57 erstreckt sich axial nach einwärts von dem radialen Innenende des Gliedes 58, welches an dem Mantelteil 19 durch eine Reihe von umfangsmäßig im Abstand angeordneten Kopfschrauben 59 befestigt ist, welche durch Löcher hindurchgehen, die in dem Glied 58 vorgesehen sind, wobei ihre mit Gewinde versehenen Schaftenden in Innengewindevertiefungen aufgenommen sind, die in dem Mantelteil 19 vorgesehen sind. In dem 'Falledes anderen Spaltringes 55 liegt seine Umfangsoberfläche einer inneren zylindrischen Oberfläche 60 gegenüber und greift sie an, die an dem Mantelteil 19 gebildet ist, wobei diese Oberfläche 60 einen Wandteil der Öffnung 25 bildet. Die Oberflächen 56 und 60 haben einen radialen Spielraum mit der gegenüberliegenden Umfangsoberfläche des Dichtungsringes 29. Natürlich kann die Zahl 58 als ein getrennter Teil ausge-

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schaltet sein, so daß die Oberfläche 56, wenn gewünscht, ebenfalls direkt an dem Mantelteil 19 gebildet sein kann.

Es sind auch Mittel gezeigt, um den Dichtungsring 29 nachgiebig gegen Radialbewegung relativ zu dem Mantelteil

zu halten. Für diesen Zweck ist der Ring 29 so ausgebildet, um für eine radiale.nach auswärts verlaufende einstückige, ringförmige Rippe' 61 zu sorgen, die eine ringförmige radiale Oberfläche 62 hat, welche axial gegen die Laufradkammer 15 gekehrt ist. Diese Oberfläche 62 liegt einer axial gekehrten radialen Oberfläche 63 gegenüber und berührt sie, die an dem Glied 58 ausgebildet ist. Ein Zurückhaltering 64 ist axial nach auswärts von der Rippe 61 angeordnet und überlappt dieselbe in Abstandsbeziehung dazu und ist so ausgebildet, um eine axial und nach einwärts gekehrte radiale Oberfläche 65 zu bilden, die einer axial nach auswärts gekehrten radialen Oberfläche 66 gegenüberliegt und wesentlich im Abstand davon angeordnet ist, welche an dem Dichtungsring 29 gebildet ist. In dem Raum, der zwischen den getrennten Oberflächen 65 und 66 vorgesehen ist, ist eine Federeinrichtung angeordnet, welche die Oberflächen 62 und miteinander in Berührung drückt.

Während diese Federeinrichtung in irgendeiner geeigneten Weise konstruiert sein kann, ist eine solche als eine

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ringförmige Blattfeder 68 dargestellt, die breiter in Eadial- als in Axialrichtung ist und die in Axialrichtung in einer gleichförmigen Wellenart hin- und hergebogen ist, um für eine Mehrzahl von abwechselnd vorspringenden Teilen 69 an den gegenüberliegenden Axialseiten der Feder zu sorgen, wobei drei solcher Wellungen oder Wellen an·jeder Axialseite gezeigt sind. Die Vorsprünge 69 an einer Axialseite einer solchen Wellenfeder lagern gegen die Überfläche 65 und an der anderen Axialseite greifen sie die Oberfläche 66 an. Die Wellenfeder 68 ist axial gebogen, wenn sie sich in Wirkstellung zwischen den Oberflächen 65 und 66 befindet und auf diese Weise vorbelastet, um die Klemmoberflächen 62 und 63 miteinander in lieibungsberührung zu drängen.

Ein ringförmiger Spielraum 67 ist jederzeit zwischen der radial nach auswärts gekehrten Oberfläche des Außenendteiles des Dichtungsringes 29 und den umgebenden einwärts gekehrten Oberflächen der Feder 68 und dem Zurückhaltering 64 vorgesehen. Ein ähnlicher ringförmiger Spielraum 77 ist zwischen den gegenüberliegenden radial gekehrten Oberflächen der Dichtungsringrippe 61 und dem Dichtungsgehäuseglied 58 vorgesehen. Diese Spielräume 77 und 67 gestatten relative Radialbewegung zwischen dem Dichtungsring 29 und dem Mantelteil 19.

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Der Zurückhaltering 64 ist so dargestellt, daß er an dem Dichtungsgehäuseglied 58 durch eine Mehrzahl von flachköpf igen Maschinenschrauben 70 befestigt ist, die umfangsmäßig in Abständen angeordnet sind. Die Schrauben 70 gehen durchÖffnungen in dem Zurückhaltering 64 hindurch und ihre mit Gewinde versehenen Schaftenden sind in Innengewindelöchern aufgenommen, die in dem Dichtungsgehäuseglied 58 vorgesehen sind. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind diese Maschinenschrauben 70 auf entgegengesetzten Seiten von je einem Paar von benachbarten Kopfschrauben 59 angeordnet, wobei vier Maschinenschrauben 70 und acht Kopfschrauben 59 gezeigt sind.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Wellenfeder 68 einen Reibungskontakt zwischen den Klemmoberflächen 62 und 63 bewirkt, der genügt, um den Dichtungsring 29 in einer erhöhten Stellung von der Wellenhülse 30 fort zu halten, um normalerweise für die ring-^ förmigen Spielräume 45 zu sorgen. Mit anderen Worten wird der Ring 29 federnd gehalten, um seine Schwerkraft-wirkung zu überwinden.

Es sind Mittel vorgesehen, um Strömungsmittel zwischen den Spitzen 51 der Innengruppe 46 der Labyrinthdichtungselemente 47 und der Wellenhülsenoberfläohe 31 in einer

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Richtung gegen das Innenende dieser Gruppe und in die Kammer 15 strömen zu lassen und auch um ein Strömungsmittel zwischen den Spitzen 51 der Außengruppe 49 der Labyrinthdichtungselemente 47 in einer Richtung gegen das Außenende derselben strömen zu lassen, wodurch der Ring 29 längs der Welle mit Strömungsmittel gefüllt ist. Für diesen Zweck ist der Mantelteil 19 mit einem Einlaßdurchgang 71 versehen, dessen Innenende mit dem ringförmigen Raum 72 in Verbindung steht, der zwischen den axial im Abstand angeordneten äusseren .und inneren Spaltringen 54 und 55 vorgesehen ist. Das Außenende dieses MnIaßdurchganges 71 ist zweckmäßig mit einer Speiseleitung 73 verbunden, die zu irgendeiner geeig- ■ neten, nicht gezeigten Quelle von Druckströmungsmittel führt, welches geeignet ist, für Dichtungszwecke benutzt zu werden.

Ferner ist der Ring 29 so dargestellt, daß er mit einer inneren ringförmigen Wut 74 zwischen den axial auf Abstand stehenden Labyrinthdichtungsgruppen 46 und 49 versehen ist, um für den ringförmigen Raum 75 dazwischen zu sorgen. Wie am besten in Fig. 4 gezeigt ist, ist der Ring 29 auch mit einer Reihe von radialen Durchgangsdurchgängen 76 versehen, die umfangsmäßig mit Abstandsintervallen angeordnet sind, wobei sechs solcher Durchgänge gezeigt sind.

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Diese Durchgänge 76 stellen die Verbindung zwischen dem radial äußeren ringförmigen Raum 72 und dem radial inneren ringförmigen Raum 75 her. Dieser Raum 75 steht auch mit den Außenenden der Wellenhülsenlöcher 37 in Verbindung, deren innere Enden mit einem ringförmigen Raum 87 in Verbindung stehen, der durch den radialen Spielraum zwischen der Wellenoberfläche 34 und der Innenoberfläche der Hülse 30 zwischen den inneren Rippen 32 und 33 vorgesehen ist.

Ein Strömungsmittel, welches nach einwärts oder nach rechts in Figur 2 fließt, passiert die Spitzen der Labyrinthdichtungselemente 47 und fließt durch den Spielraum 45 an dem inneren Anlageglied 43, um in die Laufradkammer 15 einzutreten. Strömungsmittel, welches nach auswärts oder noch links strömt, passiert die Spitzen der Labyrinthdichtungselemente 50 und fließt durch den Spielraum 45 an dem äußeren Anlageglied 42, um in ein Abflußabteil 78 einzutreten, welches einen Auslaßdurchgang 79 aufweist, der in dem ivlantelteil 19 gebildet ist.

Das Außenende dieses Abflußdurchganges 79 ist so gezeigt, daß es in geeigneter Weise in citrömungsmittelführungsverbindung mit einer Abflußleitung 80 steht, welche zu irgendeinem geeigneten, nichtgezeigten, Behälter führt, in welchem ein gewünschter Rückdruck für einen nachfolgend

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zu erklärenden Zweck aufrechterhalten werden kann. In gleicher Weise tritt irgendein axialer Auswärtsauslaß .von Strömungsmittel aus dem Raum 87 an der Hülsenrippe 32 vorbei in das Abflußabteil 78 und irgendein axialer Einwärtsauslaß von,Strömungsmittel aus diesem Kaum- an der Hülsenrippe 33 vorbei entweicht in die Laufradkammer 15. '

Ein anderes wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfin-"dung besteht darin, daß der .Labyrinthdichtungsring 29 aus einem metallischen Material konstruiert ist, welches einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als derjenige des metallischen Materiales, aus welchem die Wellenhülse 30 und die ,/eile 14 konstruiert sind. Dies sucht im wesentlichen die normalen beabsichtigten radialen Spielräume 45 zwischen den Teilen 29 und.30 aufrechtzuerhalten, selbst wenn ein weiter Unterschied in der Temperatur dieser Teile vorhanden ist. ijenn die Teile aus 'dem gleichen Material oder aus Materialien hergestellt wären, welche im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten haben, würde die liellenhülse 30, die heißer wird als der Dichtungsring 29, wie vollständiger später erklärt wird, diese Teile veranlassen, einander zu erfaasen, was die Zerstörung der Dichtungsbaugruppe 28 veranlaßt, wenn die i/elle fortfahren würde, sich zu drehen.

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llach Fig. 2 ist die Laufradwelle 14 so gezeigt, daß sie einen radial nach auswärts verlaufenden, ringförmigen ununterbrochenen Flansch 81 hat, der mit einer axialen und nach auswärts gekehrten radialen Seitenfläche 82 versehen ist, die durch das ringförmige bewegbare Element 83 einer Balgdich bimgsverbindurig angegriffen werden soll, die allgemein mit 84 bezeichnet ist, wobei diese Teile 83 und 84 andeutungsweise dargestellt sind. Der Zweck dieser Verbindung 84 besteht darin, die Berührung des Elementes 83 mit der Seitenfläche 82 zu bewirken, um einen abgedichteten Eingriff zu bewirken, wenn der Kompressor stillgesetzt ist. Ua indessen, diese Stillsetzüngsdichtungsverbindung 84 keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, ist eine weitere Erklärung der Einzelheiten dieser Konstruktion und die Wirkungsweise nicht gegeben.

Obwohl andere Dichtungsmittel zwischen der Kompressorwelle und dem Mantel vorgesehen und axial auswärts von der Dichtungsverbindung 28 nach· der Erfindung angeordnet sein können, sind solche zusätzlichen üichtungseinriohtungen nicht dargestellt worden, da sie keinen Teil der Erfindung bilden,

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Wirkungsweise

Die Wirkungsweise der Dichtungsbaugruppe 28 nach der Erfindung in der dargestellten Verwendung derselben bei einem Zentrifugalgaskompressor dürfte am besten durch Annahme typischer Zahlen zu Temperatur und Drücken erklärt werden, sowie mit dem Prozeßgas, welches durch den Kompressor behandelt wird, wobei dasselbe speziell als Helium angenommen wird. Es sei so angenommen, daß die Laufradwelle 14. durch eine nichtgezeigte Antriebsmaschine angetrieben wird und daß der Kompressor in ein System geschaltet ist, in welchem das Helium-Prozeßgas derart zirkuliert, daß der Druck des Gases in der Laufradkammer 15 etwa 350 Pfund pro tciuadratzoll (nachfolgend als psi bezeichnet) beträgt.

Es sei ferner angenommen, daß der Labyrinthdichtungs ring 29 mit seinen einstückigen Anlagegliedern und Labyrinthdichtungselementen aus einer Legierung konstruiert ist, die hauptsächlich aus Aluminium zusammengesetzt ist, solchem, wie der Alcoa-Type A 750, die durch die Aluminium Company of America angegeben ist und die einen Ausdehnungskoeffizienten

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von 13 χ 10~ Zoll pro Grad F. hat und daß die Welle 14 und ihre Hülse 30 aus einer Legierung konstruiert sind, die hauptsächlich aus Eisen, solchem wie rostfreiem cJtahl der

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BAD OFH$INAU

f\ISI - Type 410 zus amengesetzt ist, wie durch das American Iron and Steel Institute angegeben ist und die einen Ausdehnungskoeffizienten von 7 χ 10"" Zoll pro Grad F. hat.

Es ist ferner angenommen, daß die Radialspielräume zwisqhen den gegenüberliegenden Anlagestegoberflächen 44 und der Wellenhülsenoberflache 31 von etwa 0,003 Zoll bis etwa 0,005 Zoll betragen und weiter, daß die radiale Ein wärtsüberlappung, wenn überhaupt, der Anlagestegoberflächen 44 mit' Bezug auf die Labyrinthdichtungselementspitzen 51 nicht etwa 0,002 Zoll übersteigt. Diese Abmessungen sind nur für Erläuterungszwecke gegeben in Anbetracht der Hatur der Drehvorrichtung und der spezifischen Type von Prozeßgas, welches zusammen mit seiner Temperatur und Druck behandelt wird.

Es sei ferner angenommen, daß Helium-Dichtungsgas von irgendeiner geeigneten Quelle durch die Einlaßleitung 73 derart zugeführt wird, daß der Druck dieses Dichtungs gases in dem inneren, ringförmigen Kaum 75 etwa 353 psi beträgt und daß ein Rückdruck in dem Abflußabteil 78 in geeigneter i/eise bei einem Druck von etwa 352 spi aufrecht erhalten wird.

Es ist auf diese Weise ersichtlich, daß ein Druck differential über die innere Labyrinthdichtungsgruppe 46 von

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etwa 3 psi vorhanden ist, um die Strömung von Dichiungsgas gegen die Laufradkammer 15 zu bewirken und daß' ein Druckdifferential von etwa 1 psi über die äußere Labyrinthdichtungsgruppe 49 entwickelt wird, um eine Strömung von Dichtungsgas axial nach auswärts von der Laufradkammer 15 fort zu bewirken. Es ist auch zu bemerken, daß der Druck an irgendeinem Punkt längs des Axialausmaßes der Labyrinthdichtungsbau gruppe siGh auf einem höheren Druck befindet, als der, welcher in der Laufradkammer 15 erhalten wird. Typisch beträgt die. Strömung von Helium-Dichtungsgas axial nach einwärts über die innere Labyrinthdichtungsgruppe 46 120 Standardkublkfuß pro Minute (nachfolgend als cfm bezeichnet) und die Strömung von Helium-Dichtungsgas axial nach auswärts über die äußere Labyrinthdichtungsgruppe 49 beträgt etwa 60 Standard-cfm. Der Labyrinthdichtungsring ist auf diese Weise längs der Vielle gasgefüllt und daher gasgeschmiert.

Insoweit, wie der ringförmige Raum 87 zwischen der Welle 14 und seiner Hülse 30 ebenfalls mit Dichtungsgas bei einem höheren Druck als dem Gasdruck in entweder der Laufradkammer 15 oder dem Abflußabteil 78 gefüllt ist, wenn die Kontakte zwischen den Hülsenrippen 32 und 33 und entsprechenden Wellenoberflächen 34 und 35 nicht gasdicht sind, wird Dichtungsgas axial aus dem Raum 87 in diese

Kammer lecken sowie in das Abteil. Auf diese Weise wird

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wiederum, wie erwünscht ist, Prozeßgas am Ausströmen axial nach auswärts aus der Laufradkammer 15 gehindert.

Es ist auch zu bemerken, daß der ringförmige Raum 72 zwischen dem Dichtungsring 29 und dem umgebenden Mantel mit Dichtungsgas bei einem höheren Druck als der Druck des Gases in entweder der Kammer 15 oder dem Abteil 78 gefüllt ist. Da die Ringe 54 und 55 nach Art von Kolbendichtungsringen in der Praxis etwas Durchlaß zulassen, wird er in der richtigen Richtung stattfinden, nämlich am Ring 55 vorbei gegen die Kammer 15,um das Entweichen von Prozeßgas daraus zu sperren und am Ring 54 vorbei, um in dem Abflußabteil 78 gesammelt zu werden. In dieser letzteren Verbindung strömt das ausfließende Dichtungsgas zwischen den sich berührenden Oberflächen 62 und 63, welche ebenfalls praktisch unwirksam sein werden, die Gasströmung dazwischen zu verhindern» Die komunizierenden Spielräume zwischen den verschiedenen Teilen stromabwärts von den Oberflächen 62 und 63 würden das ausströmende Gas schließlich an das Abflußabteil 78 leiten.

Das Helium-Dichturigsgas wird bei sozusagen Raum temperatur zugeführt und ist daher verhältnismäßig kühl, verglichen mit dem Prozeßgas in der Laufradkammer, von der angenommen werden kann, daß sie sich auf einer Temperatur von irgend wo zwischen 600 und 700⁰F. befindet. Auf diese

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v/eise wird das Dichtungsgas, welches durch die ringförmigen Räume 72, 75 und 87 fließt, die durch die Radialdurchgänge 76 und 37 verbunden sind, den Ring 29 zu kühlen suchen. Andererseits wird der iiellenteil einschließlich der Hülse 30, die durch den Dichtungsring 29 umgeben ist, Wärme aus dem Prozeßgas absorbieren und kann daher auch eine Temperatur in dem Bereich von 600 bis 700 F. in dem angenommenen Beispiel haben. Eine wesentliche Temperaturdifferenz besteht daher zwischen den Teilen 29 und 30. Da die Welle mit ihrer Hülse 30 aus einem Material konstruiert ist, welches einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten hat als denjenigen des Materiales, aus welchem der Ring 29 zusammengesetzt ist, werden die ursprünglich beabsichtigten Radialspielräume 45 zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der Anlageglieder 42,43 und der Hülse 30 im wesentlichen aufrechterhalten, selbst wenn die Temperatur des Dichtungsringes 29 sich wesentlich unter derjenigen der Wellenhülse 30 befindet. Mit anderen Worten, während der Ring 29 kühler ist, hat er einen höheren Ausdehnungskoeffizienten verglichen mit der Wellenhülse 30, die eine höhere Temperatur und einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten hat.

Die gegenüberliegenden axial gekehrten Oberflächen und 63, die zwischen dem Dichtungsring 29 und dem umgebenden

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Dichtungsgehäuseglie 58 vorgesehen sind, wobei" das letztere in Wirklichkeit ein Teil des Kompressormantels ist, dienen als Klemm- oder Kupplungsoberflächen, die Reibungskontakt aufweisen, der durch den Druck der Seilenfeder 68 aufrechterhalten wird. Da diese Oberflächen 62 und 63 radial sind, kann relative Radialbewegung zwischen dem King 29 und dem umgebenden Mantel vorhanden sein, wobei die Spielräume 67 und 77 dies gestatten. Es ist beabsichtigt, daß die Wellenfeder 68 eine Federkonstante der Art aufweist, daß sie genügende Kraft zwischen den Oberflächen 62 und 63 ausüben wird,.um einen Reibkontakt mindestens so angemessen zu entwickeln, um das Gewicht des Ringes 29 und der zugeordneten daran montierten Teile, solche wie die Spaltdichtungsringe und 55 zu tragen. So kann der Ring 29 radial an dem Mantel abgestützt sein, um Spielräume 45 zwischen sich und der Wellenhülse 30 rund um den vollen Umfang dieser Hülse herum zu haben. In dem Falle, daß Temperaturänderungen Abmessungszunahmen radial oder sogar eine Verzerrung der Welle und ihrer Hülse 20 erzeugen, um intermittierenden oder dauernden Kontakt mit dem Dichtungsring 29 zu bewirken, ist ersichtlich, daß der Anprall dieses Kontaktes durch die Anlagestegoberflächen 44 aufgenommen wird, welche die 1/ellenhülsenoberflache 31 angreifen. Sollte dieser Kontakt zwischen dem

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Dichtungsring 29 und der Jellenhülse 30 genügend kräftig sein, um den Dichtungsring in einer Radialrichtung zu verstellen, so kann dies stattfinden, weil die Klemmoberflächen 62 und 63 eine an der anderen gleiten werden, um dies, zuzulassen. Es wird auch ersichtlich sein, daß diese Radial verschiebung in der Stellung des Dichtungsringes 29 relativ zu dem umgebenden Kompressormantel durch die Spaltdichtungsringe 54 und 55 angepaßt werden wird, die in ihren dies bezüglichen !Tuten 52 und 53 gleiten, während ein wirksamer Dichtungseingriff mit den umgebenden Mantelteilen aufrechterhalten wird.

Während die Dichtungsbaugruppe 28 in ihrer dargestellten Anwendung als Dichtung gegen den Auslaß eines gasförmigen Prozeßströmungsmittels beschrieben worden ist und ein gasförmiges Dichtungsströmungsmittel der gleichen Art benutzt wird, ist es verständlich, daß die Prozeß- und DiGhtungsströmungsmittel spezifisch verschiedene Gase sein können, wenn dies aus irgendeinem Grund als wünschenswert angesehen wird. Allgemein gesagt, können, je höher das MoIokulargewicht der Dichtungs - und Prozeßgase ist, desto, größer die normalen Hadialspielräume 45 sein und umgekehrt· Natürlich können, wenn es bei einer gegebenen Anwendung der Dichtungabaugruppe 28 als zweokmäßig angesehen wird, eines

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oder beide der Prozeß- und Dichtungsströmungsniittel flüssig sein.

Aus dem Vorhergehenden ist ersichtlich, daß die Dichtungsverbindung der vorliegenden Erfindung die verschiedenen angegebenen Zwecke erfüllt· Da Abwandlungen und Änderungen in der Konstruktion der Dichtungsverbindung und der Vorrichtung, der sie zugeordnet ist, für Fachleute möglich sind, soll die gezeigte und beschriebene Ausführung nur erläuternd und nicht beschränkend für die Erfindung sein.

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Claims

Τ00164

Patentansprüche

1„ Dichtungsvorrichtung mit einem Mantel, der eine Kammer bildet, in welcher ein Strömungsmittel relativ hohen Druckes eingeschlossen sein kann und der eine Öffnung aufweist, durch welche sich ein Drehglied erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um gegen das Entweichen von Strömungsmittel durch die Öffnung abzudichten, die einen Hing (29) enthält, der in der Öffnung angeordnet ist und das Drehglied (14) umgibt, ferner mindestens ein Satz von ringförmigen Labyrinthdichtungselementen (47_f50) an der Innenseite des Ringes, die sich radial nach einwärts gegen das Drehglied erstrecken, Anlageelemente (42,43). an der Innenseite dieses Ringes an entgegengesetzten Axialenden der Dichtungselemente und die sich radial nach einwärts mindestens so weit wie die Dichtungselemente (47i5O) erstrecken, um für Stegoberflächen (44) gegenüber dem Drehglied (14) zu sorgen und die normal im Abstand davon angeordnet sind, aber dasselbe angreifen können, sowie eine Dichtungseinrichtung, die wirksam zwischen dem Ring und dem Mantel eingefügt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungseinrichtung relative Radialbewegung zwischen dem

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Ring (29) und dem antel (19) gestattet und eine Einrichtung, welche den Ring federnd oder nachgiebig gegen Raclialbewegung relativ zu dem Mantel hält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Einrichtung mindestens eine Spaltringeinrichtung (54,55) enthält, die im Umfangsausmaß variabel ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltring in einer Hut angeordnet ist, die in dem Ring

. (29) vorgesehen ist und radial in den Dichtungseingriff mit dem Mantel (19) gedrängt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Spaltdichtungseinrichtung im Abstand axial von der ersten Spaltdichtungseinrichtung vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Einrichtung weiter axial gekehrte und gegenüberliegende Überflächen an dem Ring (29) und Mantel (19) enthält sowie eine Einrichtung (68), welche die überflächen in Reibungskontakt miteinander drückt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegende Überflächen erste und zweite Paare

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von Oberflächen enthalten und die Druckeinrichtung eine Feder (68) enthält, die wirksam zwischen die Oberflächen in einem der Paare eingesetzt ist, um die Oberflächen in dem anderen der Paare in den Keibungskontakt miteinander zu drängen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die

Feder (68) die Oberflächen mit genügender Kraft derart zusammendrängt, daß der Reibungskontakt dazwischen angemessen ist, um die Schwerkraftwirkung der Ringe zu überwinden·
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (29) aus einem Material mit einem höheren Ausdehnungskoeffizienten konstruiert ist, als derjenige für das Material,aus welchem das Drehglied (14) konstruiert ist,
10· Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (29) aus einer Legierung hauptsächlich aus Aluminium und das Drehglied (14) aus einer Legierung konstruiert ist, die hauptsächlich aus Eisen zusammengesetzt ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Labyrinthaiehtungselemente (47,50) eine Innengruppe (46) und eine Außengruppe (49)

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enthalten, die Spitzen (51) haben, welche sich radial nach einwärts gegen das Drehglied (14) nicht weiter als die Stegoberflächen (44) erstrecken und eine Einrichtung vorgesehen ist, um Strömungsmittel zwischen den Spitzen der Innengruppe und dem Drehglied gegen das Innenende der Innengruppe fließen zu lassen und ebenfalls um Strömungsmittel zwischen den Spitzen der Außengruppe gegen das Äußenende derselben fließen zu lassen, wodurch der Ring (29) längs der Welle (14) strömungsmittelgefüllt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittelfließeinrichtung Strömungsmittel an den Raum zwischen den Gruppen mit einem höheren Druck zuführt, als derjenige des Strömungsmittels, welches in der Kammer eingeschlossen ist und daß eine Einrichtung eine Abflußkammer (78) an dem Außenende der Außengruppe vorsieht, um das Strömungsmittel aufzunehmen, welches an den Spitzen (51) derselben vorbeifließt, um an einen Auslaß gerichtet zu werden.
13. Vorrichtung naoh Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Innengruppe (46) der ringförmigen Labyrinthdichtungselemente von der Basis zur Spitze in einer Richtung geneigt ist, die sich radial nach einwärts und axial nach auswärts

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von der Kammer fort erstreckt, daß die Außengruppe (49) der ringförmigen Labyrinthdichtungselemente von der Basis zur Spitze in einer Ilichtung geneigt ist, die sich radial nach einwärts und axial nach einwärts gegen die Kammer erstreckt und daß jede der Stegoberflächen der Anlageglieder eine größere Breite in ilxialrichtung als irgendeine der Spitzen (51) der Dichtungselemente hat und radial nach einwärts mindestens so weit wie die Spitzen angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (19) Teil eines. Gaskompressors ist, daß das Drehglied ein Laufrad (13) auf einer Welle (14) enthält, die gegen das Entweichen von Prozeßgas aus dem Mantel längs der Welle abgedichtet werden soll und daß üichtungsgas der gleichen Art wie das Prozeßgas mit dem höheren Druck zugeführt wird, wodurch ein Druckdifferential quer über die Innengruppe (46) der Dichtungselemente entwickelt wird, um die Strömung von Dichtungsgas gegen das laufrad (13) zu bewirken.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsgas bei einer geringeren Temperatur als das Prozeßgas zugeführt wird.

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