DE1750600A1

DE1750600A1 - Wellendichtung mit selbsttaetig regelbarer Fluessigkeitskuehlung

Info

Publication number: DE1750600A1
Application number: DE19681750600
Authority: DE
Inventors: Ernst Menssen
Original assignee: Demag AG
Current assignee: Mannesmann Demag AG
Priority date: 1968-05-17
Filing date: 1968-05-17
Publication date: 1971-04-08
Also published as: ES361411A1; GB1266401A; BE727720A; NL6818194A; FR1596094A

Description

DEMAG Aktiengesellschart, 41 Duisburg 10.5.I968

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Wellendichtung mit selbsttätig regelbarer Flüssigkeitskühlung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung zwischen einer hochtourig umlaufenden Welle und einem feststehenden Gehäuse. Sie besteht im wesentlichen aus zwei axial benachbart angeordneten, radial- und gasabdichtenden Schwimmringen, die zwischen sich einen Flüssigkeitsraum für eine geeignete Sperrflüssigkeit bilden.

Der sog. Schwimmring hat die Aufgabe, ein Maschinenteil, z.B. Welle, gegenüber einem weiteren Maschinenteil, z.B. Gehäuse, radial abzudichten, im Gegensatz zum sog. Gleitring, der im wesentlichen die vorerwähnten Maschinenteile axial abdichtet.

Es sind Dichtungen der in Frage stehenden Gattung bekannt, bei denen eine Sperrflüssigkeit vorgesehen ist. Als geeignete Flüssigkeit wird in der Mehrzahl der Anwendungsfälle Schmieröl gev;ählt. Eine solche Flüssigkeit als flüssiges Sperrmittel wird dann vorgesehen, wenn in einer Maschine, v.'ie z.B. Turbine, Turbo- oder Schraubenverdichter, der Gasdruckraum gasdicht gegenüber der Atmosphäre abgedichtet werden muß. Bei dieser Art Dichtung kommt es darauf an, daß keine Dichtungsflüssigkeit in den Arbeitsraum der Maschine gelangt. Die dennoch seitlich aus dem Sperrflüssigkeitsraum gelangende Flüssigkeit soll so klein wie möglich sein und unmittelbar hinter den Schwimmringen durch eine maschinenraumseitige Ablaßbohrurig abgeleitet und zum Ölabscheider befördert werden. Ferner gibt en Fälle, bei denen die Dicht- und Sperrflüssigkeit durch das Medium im Maschinenarbeitsraum angegriffen und verdorben wird, so daß es nicht mehr air. Dicht- und Sperrflüssigkeit verwendet werden kann.

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Zu diesem Zweck ist das Spiel (Dichtspalt) zwischen dem gasraumseitig angeordneten Schwimmring und der Welle so gering wie nur eben möglich zu bemessen. Je enger der von der Dichtflüssigkeit ausgefüllte Dichtspalt ist, desto größer ist die Reibung zwischen Schwimmring und Welle und dementsprechend auch die entstehende Wärmeentwicklung an der Kontaktstelle.

Bei hochtourig umlaufenden Wellen ist die Wärmeentwicklung mitunter so groß, daß die Wärmemenge mit der Leckflüssigkeit nicht mehr durch den Dichtspalt abgeführt werden kann. Deshalb muß die Wellendichtung durch zusätzliche Kühlflüssigkeitsmengen, die durch den Dichtungsflussigkeitsraum geleitet werden, gekühlt werden.

Der Spalt zwischen dem Maschinenarbeitsraum entfernt angeordneten Schwimmring und der Welle kann erheblich größer bemessen werden als der Dichtspalt zwischen dem nächst dem Maschinenarbeitsraum angeordneten Schwimmring und der Welle. Die richtige Bemessung des zuerst genannten Dichtspaltes kann aber nur für ganz bestimmte stationäre Verhältnisse vorgenommen werden. Es ist ferner zu berücksichtigen, daß der Druck im Gasraum veränderlich sein kann. Damit ist auch der Druck im Dichtungsflussigkeitsraum veränderlich; dieser soll immer etwas höher liegen als der Druck im Gnsraum. Der Druck im Lagerraum ist jedoch konstant, so daß wechselnde Druckdifferenzen für den Dichtspalt zwischen dem zweiten Schwimmring und der Welle auftreten können.

Bei Drehzahlregelung der Maschine ist die Peibungsleistung und die damit verbundene Wärmeentwicklung in den Dichtspalten zwischen den Schwimmringen und der Welle sehr stark von der Drehzahl abhängig, so daß auch hierfür verschiedene Kiihlmittelmengen erforderlich sind.

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Die Reibungsleistung und die Leckflüssigkeitsmengen sind außerdem sehr stark von den Herstellungstoleranzen der Welle und der Schwimmringe abhängig, so daß je nach Größe der in der Fertigung erzielten Dichtspalte die Reibungsleistung und die Leckflüssigkeitsmengen verschieden sind. Diese Nachteile sind durch eine bestimmte Ausbildung und Anordnung sowie eine bestimmte Werkstoffwahl der beiden vorgesehenen Schwimmringe zu vermeiden.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, daß sich der Spalt zwischen dem ersten Schwimmring (gasraumseitig) und der Welle möglichst nicht während des Betriebes ändert und daß sich der Spalt zwischen dem zweiten Schwimmring (lagerseitig) und der Welle je nach Betriebstemperatur so beträchtlich ändert, daß die durch diesen Dichtspalt abgeleitete Flüssigkeitsmenge (Sperrflüssigkeit), die während des Betriebes in der Mengengröße temperaturabhängig veränderlich ist, indirekt und direkt Einfluß nehmen soll auf die Veränderung des Dichtspaltes zwischen dem ersten Schwimmring und der Welle.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der erste (gasdruckraumseitige) Schwimmring ein verhältnismäßig geringes Spiel zur Welle aufweist, aus einem Werkstoff besteht, der eine mit der Wellenwärmdehnzahl vergleichbare Wärmedehnzahl aufweist und der von der sowieso vorhandenen Sperrflüssigkeit gekühlt wird,

und daß der weitere (lagerraumseitige) Schwimmring ein verhältnismäßig großes Spiel zur Welle aufweist, aus einem Werkstoff besteht, der eine ungleich größere Wärmedehnzahl aufweist als die der Welle und der gegenüber dem Sperrflüssigkeit srautn v;eit£ehendst isoliert wird. Die Flüssigkeitskühlung für den ersten Schwimmring regelt sich dadurch selbsttätig abhängig von der letriebstemperatur der Dichtung.

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Zur Unterstützung dee sich von der Betriebstemperatur selbst regelnden Kühleffektes kann zusätzlich der zweite Schwimmring in mehrfacher Hinsicht abgewandelt ausgebildet und angeordnet sein. Es ist möglich, den zweiten Schwimmring mit einer gegenüber dem Sperrflüssigkeitsraum isolierenden Buchse zu umgeben, wobei die gewählte Anordnung vorsieht, daß enge Spalten zwischen der Buchse und dem Schwimmring vorhanden sind. In diesen engen Spalten befindet sich gewissermaßen eine ruhende Flüssigkeitsmenge, die nicht an der Turbulenz teilnimmt, die im übrigen Flüssigkeitsraum stattfindet. Die Flüssigkeitsmenge in diesen Spalten isoliert den Schwimmring gegen die Kühlwirkung der Sperrflüssigkeit. Zusätzlich kann die vorgesehene winkelförmige Buchse aus einem schlecht wärmeleitenden Material, wie z.B. Kunststoff, hergestellt sein.

Der neuen Dichtung sind zwei vesentliche Eigenschaften zu eigen, nämlich

1. der erste Schwimmring wird so gut wie nur eben möglich gekühlt und weist des weiteren die gleiche Wärmedehnzahl wie die Welle auf, damit der Dichtspalt sich während des Betriebs möglichst wenig ändert und

2. der zweite Schwimmring wird nicht gekühlt, sondern sogar gegen die Kühlwirkung der Sperrflüssigkeit weitgehendst isoliert. Außerdem weist der Werkstoff des zweiten Schwimmringes eine möglichst große Wärmedehnzahl gegenüber dem Werkstoff der Welle und eine gute Wärmeleitzahl auf. ^}<v

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Wellendichtungsanordnung mit zwei benachbart angeordneten Schwimmringen und zwischen diesen gebildetem Sperrflüssigkeitsraum.

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Pig. 2, J u. 4 je eine Einzelheit abgewandelter Ausführungen der Schwimmringe nach Fig.

Es sind bezeichnet mit:

23 das feststehende Maschinengehäuse;

24 die Dichtungsseitige Gehäusewand.

A der Gasmaschinenarbeitsraum B der Diehtflüssigkeitsraum

C u. D Lagerraum vor und hinter dem Wellenlager E Atmosphäre

1 umlaufende Welle

2 Axialdichtung in der Gehäusewand, z.B. in Form eines G-Ringes

3 erster (gasdruckraumseitiger) Schwimmring

4 Zuflußbohrung für das Öl als Sperr- und Kühlmittel zum Dichtflüssigkeitsraum B

5 Druckfeder

6 Isolierbuchse

7 zweiter (lagerraumseitiger) Schwimmring

8 Lagerschmiermittel-Zuführbohrung

9 Viellenlager

Maschinenabschlußdeckel

Deekeleiehtung

Ablaßöffnung vom Lagerraum zum Schmierölbehälter DichtflüsnigkeitsdurchfluSbohrung im Bereich dea Lagers*

lh Ab::ehlu3ring für die Dichtung; er ist axial fixiert durch einen nicht näher bezeichneten Sprengring

DichtnpaLt zv.'J:;c:hen Gehwimmring ? und Welle 1 Dicht.·'."ilt zv'inchen Schwimmring 3 und kelle 1 Vordroh.';j cherung i'iir deii Schwimmring 3 liv fjr'irraur/tni tlge Abialibohrung zum ölabscheider

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25 Arretiernocken am Schwimmring 3> die mit entsprechenden Nocken des Schwimmringes 7 nach Art eines Zahneingriffes in Verbindung stehen und den zweiten Schwimmring gegen Verdrehung sichern;

26 äuBere Rippen am Schwimmring 3 (Figur 1)

19, 20 zweiter Schwimmring in Bimetallausführung

(Fig. 2 und 3)
21, 22 Schwimmring mit inneren Ausnehmungen, die mit niedrigschmelzendem Metall (Wood's Metall) ausgefüllt sind. (Figur 4)

Die bevorzugte Anordnung der einzelnen Dichtungseinzelteile ist in der Fig. 1 dargestellt. Die mit der gefundenen Lösung angestrebte Eigenschaft des Schwimmringes 3 wird dadurch erreicht, daß der Schwimmring 3 sehr viel breiter gewählt wird als die Breite des Dichtspaltes 16, damit die entstehende Wärme möglichst optimal in den Ringkörper abgeleitet wird. Der Schwimmring 3 besteht aus einem Werkstoff mit möglichst gleicher Wärmedehnzahl wie der des V.ellenwerkstoffes.

Da die Welle in der Regel aus Stahl hergestellt ist, wird der Schwimmring 3 mit einer dünnen Gleitlagermetallschicht im iereich des Spaltes 16 versehen, damit gute Laufeigenschaften möglich sind.

Die Oberfläche des Schwimmringes 3 kann außerdem mit Kippen 26 versehen sein, die eine bessere wärmeübertragung an die Sperrflüssigkeit im Diehtflüssigkeitsrauir * gevrihrleisten. Die Verrippung kann beispielsweise als Verzahnung aiugei'ir.i't sein.

Da dife LeckflÜKi-.lgkeitsmenge, die uuroh «.-t.-n Liel t :-:>?ilL U> in den Raum Λ gelangt, so gering vie mi»gL ich sein soll, wird kaum Reibungswärme durch dl ere Leiki'Lüii i^keit abgeführt

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und die Flüssigkeitsmenge wird durch den sehr viel weiteren Dichtspalt 15 des zweiten Schwimmringes 7 zum Raum C weitergeleitet.

Die mit der gefundenen Lösung angestrebte Eigenschaft des Schwimmringes J wird dadurch erreicht, daß dieser aus einem Material hergestellt ist, beispielsweise einer Aluminium- oder Zinklegierung, die eine verhältnismäßig große V.ärmeausdehnung gegenüber der Welle 1 zur Folge hat. Auch soll die Wärmeleitfähigkeit dieses Werkstoffessehr hoch sein, so daß sich bei höherer Wärmeentwicklung der Ring 7 verhältnismäßig rasch vergrößert und damit den Dichtspalt 15 größer werden läßt. Durch diesen vergrößerten Dichtspalt 15 tritt dann eine größere Leckflüssigkeitsmenge hindurch, die vorher den Schwimmring 5 gekühlt hat.

V.ird die Leckflüssigkeitsmenge durch den nun größeren Kühlmittelstrom wieder kalter, so verengt sich der Dichtspalt 15 v/i ed er um das entsprechende Maß. Auf diese Weise wird selbsttätig eine Anpassung an die verschiedenen, während des Betriebs unterschiedlichen Betriebstemperaturen erreicht. Anstelle der Wahl einer Aluminium- oder Zinklegierung für den Schwimmring 7 kann auch jeder andere geeignete Werkstoff verwendet werden.

Durch die Anordnung einer Buchse 6, die den Schwimmring 7 umfaßt, wird eine ..ärmeüber leitung des Schwimmringes 7 an die Sperrflüssigkeit im Räume D verhindert. Die erste Isolationsstufe wird durch die entstehenden engen Spalten zwischen dem Schwimmring 7 und der Buchse 6 erreicht, da die Dichtflüssigkeit in diesen Spalten ruht und nicht an der Turbulenz der Flüssigkeit teilnimmt, die im Räume 3 sonst auftritt. Der zweite Isoliereffekt wird dadurch erreicht, daß die Buchse 6 aus einem schlecht wärmeleitenden "Werkstoff, z. 3. Kunststoff, hergestellt ist. Auf diese Weise paßt sich die Temperatur des Schwimmringes 7 so gut

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wie eben möglich der Temperatur des durch den Dichtspalt fließenden Leckflüssigkeitsstromes an.

Von untergeordneter Bedeutung ist die Anordnung der weiteren Einzelteile der Dichtung. Der Ring 14 dient als Abschlußelement gegenüber dem Lagerraum C. Die vorgesehene Druckfeder 5 drückt die beiden Schwimmringe j5 und 7 gegen das Gehäuse 2j5 bzw. gegen den Ring 14, da sie sich an der Buchse β und am Schwimmring 3 abstützt, während die Buchse 6 mit einer Innenfläche am Schwimmring 7 anliegt. Durch die Wahl dieses Spannmittels wird an den axialen Berührungsflächen Dichtigkeit hergestellt.

Die Dichtflüssigkeit fließt dem Raum B durch die Bohrung zu und verläßt diesen Raum durch den Dichtspalt I5. Durch den Dichtspalt 16 gelangt Dichtflüssigkeit in verhältnismäßig geringer Menge in den Raum A, von dem sie über einen ölabscheider wieder in das Schmierölsystem zurückgeleitet werden kann. Die weitaus größere Flüssigkeitsmenge fließt durch den Dichtspalt I5 in den Raum C, von dort durch die Bohrung IjJ in den Raum D, aus dem sie gemeinsam mit dem Schmieröl durch die Bohrung 12 in den Schmierölbehälter zurückfließen kann. Das Lagerschmieröl wird mit besonderem Druck durch die Bohrung 8 der Lagerstelle zugeführt. Anstelle des vorgesehenen Gleitlagers 9 kann auch ein Wälzlager vorgesehen sein.

Zur Unterstützung des sich durch die Betriebstemperatur selbstregelnden Kühleffektes kann der Schwimmring 7 auch in Sonderbauweisen ausgeführt werden. Eine davon ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Hierbei besteht der innere Teil 20 des Ringes 7 aus einem Werkstoff von hoher und der äußere Ringteil I9 des Schwimmringes 7 aus einem Werkstoff geringer wärmedehnung. Bei Erwärmung der Dichtflüssigkeit und damit des Schwimmringes 7 nimmt dieser die in Figur 3 dargestellte Form an. Die Spaltvergrößerung ist bei vergleichbarer Temperaturerhöhung sehr viel größer als bei einem massiven, ungeteilten Ring.

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In Figur 4 ist ein ungeteilter Schwimmring 21 dargestellt, der Ausnehmungen 22 aufweist, in die Ausgüsse mit niedrigschmelzendem Material (Wood's Metall) vorgesehen sind. Diese haben die Funktion nach Art eines Sicherheitsventils, wenn der Dichtspalt 15 bei der Fertigung zu klein ausgefallen ist. Im Falle einer Überhitzung des Schwimmringes,' die zum Fressen der Schwimmringe 3 und 7 führen könnte, schmilzt ein Teil des Wood's Metalls aus den Ausgüssen 22 heraus, und der dadurch sofort vergrößerte Kühlstrom stellt die richtigen Betriebsbedingungen für die Dichtung wieder her.

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Claims

DEMAG Aktiengesellschaft, 41 Duisburg 10.5.I968 Dn./K Patentansprüche

1. Wellendichtung, bestehend aus mindestens zwei axial benachbart angeordneten, radial- und den Maschinenarbeitsraum gasabdichtenden Schwimmringen, die zwischen sich einen Sperrflüssigkeitsraum bilden und axial fixiert angeordnet sind,

gekennzeichnet durch einen maschinenarbeitsraumseitigen, ein verhältnismäßig geringes Spiel (16) zur Welle (l) aufweisenden, aus einem Werkstoff mit der Wellenwärmdehnzahl vergleichbarer Wärmdehnzahl bestehenden und von der Sperrflüssigkeit gekühlten Schwimmring (3) und einem lagerraumseitlgen, ein verhältnismäßig großes Spiel (15) zur Welle (1) aufweisenden, aus einem Werkstoff mit ungleich größerer Wärmdehnzahl als der Wellenwärmdehnzahl bestehenden und gegenüber dem Sperrflüssigkeitsraum (B) weltgehendst isolierten Schwimmring (7).

2. Wellendichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Sperrflüssigkeitskühlung für den Schwimmring (3) abhängig von der Betriebstemperatur im Dichtspalt (15) des Schwimmringes (7) selbsttätig regelbar ist.

3. Wellendichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Schwimmring (7) aus inneren Ringsegmenten (20) aus einem Werkstoff hoher Wärmedehnung und aus äußeren Ringsegmenten (19) aus einem Werkstoff geringer Wärmedehnung gebildet ist.

4. Wellendichtung nach den Ansprüchen 1 bis j}, dadurch gekennzeichnet,

daß der Schwimmring (7) zusätzlich von einer gegen

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den Sperrflüssigkeitsraum (B) isolierenden Buchse, vorzugsweise Kunststoffbuchse (6), umfaßt ist.

Wellendichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet,

daß der Schwimmring (7; 21) mit umfangsverteilt angeordneten Leckquerschnitten (22) versehen ist, die Ausgüsse niedrig schmelzenden Metalls aufweisen.

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