DE2022227A1

DE2022227A1 - Axiale Gleitringdichtung mit steuerbaren Leckverlusten

Info

Publication number: DE2022227A1
Application number: DE19702022227
Authority: DE
Inventors: Villasor Angel P
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1969-05-15
Filing date: 1970-04-30
Publication date: 1971-01-21
Also published as: AT306464B; NL7005259A; US3632117A; BE750319A; FR2049690A5; SE346368B; GB1249849A; JPS4836461B1; CH500411A

Description

Weatinghouse
Electric Corporation . - _Λ

Jittshurgh 30. April 1970

Mein Zeichens

VPA 70/8385

D/Win '

Für diese Anmeldung wird die Priorität aua der entsprechenden amerikanischen Patentanmeldung Ser.No. 824 762 vom 15.5*1969 ■beansprucht.

pie vorliegende Erfindung betrifft eine axiale Gleitringdichtung mit steuerbaren Leckverlusten, wie sie für unter Druck stehende flüssige oder gasförmige Medien, · insbesondere als Wellendichtung, verwendet wird. Das Betriebsverhalten einer derartigen axialen Gleitringdichtung mit steuerbaren Leckverlusten hängt von dem Druck ab, den ein hydrodynamischer Film aus dem im Gehäuseraum der Dichtung vorhandenen, unter Druck stehenden Medium, an den einander gegenüberstehenden Grenzflächen der axialen Gleitringe erzeugt. Dieser film verhindert eine Berührung zwischen den Dichtungsflächen. Ist der von ihm erzeugte Druck jedoch sehr niedrig, so besteht die Gefahr, daß die Dichtflächen der Gleitringe plötzlich zusammenschlagen, wodurch die Dichtung stark beschädigt werden würde. -

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Berührung der einander gegenüberstehenden Dichtflächen einer axialen Gleitringdichtung mit Sicherheit vermieden werden. Bei einer axialen Gleitringdichtung mit steuerbaren Leckverlusten, bei der die Tragköpfe mit den axialen Gleitringen in einem zylindrischen Gehäuseraum untergebracht sind, der ein unter Druck stehendes Medium enthält, ist gemäß der Erfindung der stehende Tragkopf gegenüber dem Gehäuse axial beweglich und unterteilt den zy- . lindrischen Gehäuseraum in zwei Kammern, von denen die eine,

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obere, die durch das Gehäuse und den stehenden Tragkopf begrenzt ist, Über Rohre, in denen ein oder mehrere druckabhängig gesteuerte Ventile liegen, bei einem Druckabfall in der anderen, unteren Kammer auf einen bestimmten niedrigen Wert 3*. Bit einem Abflußrohr und bei Wiederherstellung eines bestimmten höheren Druckwertes P₂ in der unteren Kammer mit dieser verbunden ist. Dadurch wird erreicht, daß bei einem Druckabfall in der unteren Kammer auf einem bestimmten niedrigen Wert P. auf den axial beweglich angeordneten stehenden Tragkopf eine Kraft ausgeübt wird, durch die er in axialer Richtung verschoben wird, so dad die Bi aiitungsflachen der Gleitringe sich voneinander entfernen. Steigt dagegen der in der Kammer herrschende Druck wieder über einen bestimmten höheren Druckwert Pg an, so«werden die Gleitringe wieder in ihre normale Betriebslage zurückgeführt.

Man hat dadurch mit einfachsten Mitteln eine mechanisch-hydraulische Vorrichtung zum Abheben der axialen Gleitringe bei zu niedrigen Betriebsdrücken. Eine Berührung der Dichtflächen miteinander wird daher mit Sicherheit vermieden. Bei Wiederherstellung der normalen Druckverhältnisse wird außerdem die Gleitringdichtung wieder automatisch in ihre normale Betriebslage zurückgeführt.

Im folgenden sei die Erfindung an Hand der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten zwei Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.

Die Pig. 1 und 3 zeigen jeweils einen Vertikalschnitt einer gemäß der Erfindung ausgebildeten axialen Gleitringdichtung, während Pig. 2 bzw. 4 entsprechend ein Schemabild der dazugehörigen Rohranordnung zeigen.

Das Gehäuse 1 der in Pig. 1 dargestellten Wellendichtung 2 bildet einen Ringraum um die rotierende Welle 3, z.B. eines nicht darge-

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stellten Laufrades einer'Zentrifugalpumpe, die unter Druck stehende Flüssigkeit umwälzt. In diesem Ringraum liegt der mit der Welle 3 über die Paßfeder 4 und dem Träger 5 fest verbundene Tragkopf 6 des rotierenden axialen Gleitringes 7· Diese zusammen ' mit der Welle 3 rotierenden Teile sind untereinander durch Dichtringe 8 abgedichtet. Dem rotierenden axialen Gleitring 7 steht der stehende axiale Gleitring 9 gegenüber, dessen Tragkopf 10 auf einem im Gehäuse 1 der Wellendichtung befestigten Ringansatz 11 axial beweglich angeordnet ist. Eine Rotation des'Tragkopf es 10 ist durch den gestrichelt angedeuteten Paßstift 12 vermieden, der in dem Ringansatz 11 eingesetzt ist und mit Spiel in eine Bohrung 13 im Tragkopf 10 hineinragt. Das Spiel zwischen den Wänden der Bohrung 13 und dem Paßstift 12 ist so bemessen, daß eine axiale Bewegung des Tragkopfes 10 nicht behindert wird, wohl aber eine Rotation. Auch die stehenden Teile der Gleitringdichtung sind untereinander durch Dichtringe 14 abgedichtet.

Der rotierende axiale Gleitring 7 besteht aus einem gegen Korrosion und Erosion widerstandsfähigem. Werkstoff, der Im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffienten besitzt, wie der Werkstoff seines Tragkopfes 6. Dieser hat außerdem einen großen Elastizitätsmodul. In ähnlicher Weise besteht der stehende axiale Gleitring 9 aus einem Werkstoff, der widerstandsfähig gegenüber Korrosion und Erosion ist und der auch im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist, wie der Werkstoff des bestehenden Tragkopfes 10, der seinerseits einen hohen Elastizitätsmodul besitzt. Geeignete Werkstoffe sind z.B. Carbid oder Keramik.

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Die Befestigung der axialen Gleitringe 7 und 9 auf ihren Tragköpfen β bzw. 10 erfolgt jeweils durch eine mechanische Verklammerung. Zwei Klammerringe 15 bzw. 16drucken jeweils mit einei Ansatz 17 bzw. 18 auf eine Schulter des Tragkopfes 10 bzw. 6 und

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des Gleitringes 7 bzw. *9· Sie werden durch Bolzen 19, die in einem Grundring 20 eingeschraubt sind, zusammengepreßt, wobei zwischen dem Grundring 20 und den Klammerringen 15 und 16 Tellerfedern 21 angeordnet sind. An den den axialen Gleitringen 7 bzw. 9 zugewandten Oberflächen der Tragköpfe 6 bzw. 10 ist an der Außenkante ein Absatz 22 eingedreht, über diesem Absatz ragt die äußere Kante des Gleitringes 7 bzw. 9 hinaus, so daß durch -die Verklammerung mit dem Ansatz 18 des Klammerringes 16 eine Deformierung der Oberfläche der axialen Gleitringe erzielt Wird. Dadurch erreicht man einen konisch verlaufenden Spalt .zwischen den beiden Gleitringen. Durch eine verschieden weite Ausstreckung der Absätze 22 im stehenden bzw. rotierenden Tragkopf oder auch nur durch, das Vorsehen eines derartigen Absatzes in nur einem der Tragköpfe kann die Neigung und somit die äußere Form des Spaltes nach Wunsch beeinflußt werden und entsprechend auch die bei Betrieb der Dichtung auftretenden Leckverluste.

Der stehende Tragkopf 10 und die dem zugeordneten Verklammerungsmittel sind so ausgebildet, daß sie den vom Gehäuse 1 gebildeten Ringraum in zwei Kammern unterteilen, nämlich in eine obere, durch das Gehäuse 1 und den stehenden Tragkopf 10 begrenzte Kammer 23 und die untere Kammer 24. Es verbleibt jedoch ein Spalt 25 zwischen der Wand des Gehäuses 1 und den stehenden Teilen der Wellendichtung 2.

Der Wellendichtung 2 wird während des Betriebes über das in die untere Kammer 24 mündende Zuflußrohr 26 unter Druck stehende Flüssigkeit zugeführt. Es bildet sich dadurch in den Kesnacm 23 und 24 ein gleichmäßiger Flüssigkeitsdruck aus, dem insbesondere die Oberflächen 27 und 28 des axial beweglichen stehenden Tragkopf es 10 ausgesetzt sind· Dadurch stellt sich ein bestimmter Dichtepalt 29 zwischen den beiden axialen Gleitringen 7 und 9 ein, der sich aus dem Gleichgewichtszustand zwischen dem auf

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die'Oberflächen 27 und 28 ausgeübten statischen Druck und dem sich in dem konisch verlaufenden Dichtspalt 29 durch die durchfließende Flüssigkeit ausbildenden hydrodynamisehen Druck des Flüssigkeitskeiles ergibt. Entsprechend diesem Gleichgewichtszu-, stand tritt eine steuerbare Menge von Leckverlusten in den die Welle umgebenden Spalt 30 ein.. Diese fließen durch das Abflußrohr 31 weg. .

Die Größe des Dichtspaltes 29 ist abhängig von dem Druck der zugeführten Dichtflüsaigkeit. Sinkt dieser nun stark ab, 30 besteht unterhalb eines bestimmten niedrigen Druckwertes die Gefahr, daß der hydrodynamische Druck im Dichtspalt 29 zu klein wird und daß Dichtflächen der axialen Gleitringe 7 und 9 plötzlich zusammenschlagen können. Daher ist gemäß der Erfindung mit der Wellendichtung 2 ein Rohrsystem gekuppelt, das druckabhängig gesteuerte Ventile enthält und in der Pig· 2 schematisch dargestellt ist. -

In die obere Kammer 23 mündet ein Ausflußrohr 32, das über das druckabhängig gesteuerte Ventil 33 mit dem Abflußrohr 31 verbunden werden kann. Eine Abzweigung 34 des Ausflußrohres 32 führt über das druckabhängig gesteuerte Ventil 35 zu dem ebenfalls in die untere Kammer 24 mündenden Rohr 36. Die beiden Ventile 33 und werden in Abhängigkeit des im Rohr 36, also in der Kammer 24, herrschenden Druckes von den Druckschaltern 37, 38 ausgelöst, die auf die Ansprechwerte P₁ und Pg eingestellt sind. Dabei sind die beiden Ventile 33 und 35 untereinander noch so verriegelt, daß das normalerweise geschlossene Ventil 35 nur geöffnet werden kann, nachdem das ebenfalls normalerweise geschlossene Ventil 33 einmal geöffnet hatte und dann wieder geschlossen wurde. Diese Verriegelung erfolgt durcli entsprechend ausgebildete Hubmagnetventil 39, 40, welche den Antrieb 41 des Ventils 33 bzw. 42 dös Ventils 35 steuern. ..'."'

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Dieses mit der WellenälsMiiäg 2 gekoppelte Rohrsystem wirkt * folgendermaßen s

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Bei normale!» Betrieb tier H&lleszdichtung* 2 sind die Ventile 33 und 3-5 geschlossen, η UaB im den Kammern 23 und.24 der gleiohe Druck herrscht* SjLk" ^r? Iu 4er imteren Kanisiern 24 eier Druck der zufließeMest Ditli^fiUraigkeit plö'tzlich unter de& vorher eingestellten ni"«3ri._ut · I'TaekwctSft P₁ ab» ao öffnet,, . ..agelöst durch den Dru3fc$3h&it©x' 38 iaa Ventil 33 und stellv .■*·.« Verbindung zwischen den AiisfluSroiir 32 sae! äem Abflußrohr 31 her. Die nun aus der oberen Kammer 23 in ias Abflußrohr 31 ausfliegende Druckflüeaigkeit ruft eine Strömung entlang des Spaltes 25 zwischen den stehenden fsllea tor Wc-IleMcÜeiitimg 2 und dem Gehäuse 1 hervor. Dadurch entstellt eim HBterscMedlioker Druck längs der stehenden Teile 'der Wellendichtung 2 mä,t auf den stek^sden Gleitring 9 wird -eine Kraft afisgeilli^ -Ü? iM& vob dem rotierenden Gleitring 7 ■ entfernt. Dadu-roii Yertisidet saß mit Siekerheit eine Berührung · zwischen den· Diohtf läeliea der axialen Gleitringe. Durch die Verriegelung bleibt da3 Ventil 35 während dieses Vorganges geschlossen. Die Größe tier abliebenden Kraft hängt von der Bemessung des Querschnittes des Spaltes 25 ab·

Stellt sich min in der unteren Kammer 24 wieder ein erhöhter Druck ein, und wird der eingestellte höhere Druckwert P₂ erreicht, so wird das Ventil 33, ausgelöst durch den Druckschalter 38, wieder geschlossen. Danach bewirkt der Druckschalter 37 eine öffnung des Ventils 35» wodurch über das Ausflußrohr 32,die Rohrabzweigung 34 und das Rohr 36 eine Verbindung zwischen der oberem Kammer 23 und der unteren Kammer 24 hergestellt wird, so daß sich der Druck in beiden Kammern ausgleicht und ein Druckgleichgewicht erzielt wird. .

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Durch den dabei wiederum auf die Flächen 2? und 28.des axial beweglich angeordneten stehenden Tragkopfes 10 ausgeübte Kraft in axialer Richtung verlagert sich dieser eo lange im Sinne einer Annäherung der axialen Gleitringe 7 bzw· 9, bis sich . zwischen des atatischen Druck in der Kammer 23 und dem hydrodynamischen Druck im Dichtspalt 29 ein Gleichgewicht gebildet hat. Damit befindet sich die Wellendichtung 2 wieder in ihrer normalen Betriebelage·

Durch die in dem Rohrsystem vorhandenen beiden druckgesteuerten Ventile 33 und 35, die.während des normalen Betriebes der Wellendichtung 2 geschlossen sind, werden also bei einem unvermutet großen Druckabfall in der unteren Kammer unter den vorher eingestellten Wert P- die beiden axialen Gleitringe 7 und 9 voneinander entfernt und erst nach Wiederherstellen eines ebenfalls vorher eingestellten höheren Druckwertes P₂ ^wieder in ihre normale Betriebslage zurückgeführt. Dadurch wird eine Beschädigung der Dichtflächen der axialen Gleitringe infolge unsicherer Druckverhältnisse mit Sicherheit vermieden.

Ein anderea Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen die Fig. und 4. Für die gegenüber den AusfUhrungsbeispielen in Fig. 1 und 2 unverändert gebliebenen konstruktiven Seile werden die gleichen Bezügezahlen verwendet·

Auf der rotierenden Welle 3 ist der rotierende Tragkopf € unmittelbar durch Schrauben befestigt und rotiert zusammen alt der Welle 3· Er trägt den rotierenden axialen Gleitring 7« Der stehende Tragkopf 10 ist wiederum axial beweglich auf dem Ringansatz 11 des Gehäuses 1 angeordnet und trägt den stehenden axialen Gleitring 9· Eine Rotation des stehenden Tragkopfes 10 ist durch gestrichelt angedeutete Paßstifte 12 verhindert. -

Die axialen Gleitringe 7 und 9 sind auf den Tragköpfen 6 bzw. mit Hilfe von hydrostatischen Klammern 43 befestigt. Infolge der

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unterschiedlichen Durchmesser des Klaeierringes 43 wird dieser mit einer bestimmten Kraft gegen den Tragkopf gepreßt, wobei die Größe dieser Kraft von dem in der unteren Kammer 24 herrschenden Druck abhängig ist. Die Dichtfläche des stehenden axialen Gleitringes 9 ist konisch ausgebildet, so daß sich in dem Dichtapalt 29 ein hydrodynamischer Flüssigkeitskeil ausbilden kann. Dieser, hält die Dichtflächen der axialen Gleitringe 7 bzw. 9 voneinander getrennt. Der äußere Durchmesser des stehenden Tragkopfes 10 entspricht dem Innendurchmesser des Gehäuses 1, so daß zwischen der oberen Kammer 23 und der unteren Kammer 24 keine Verbindung besteht. Die beiden Kammern sind vielmehr mit Hilfe des Dichtringes 44 gegeneinander abgedichtet.

Die Wirkungsweise der Wellendichtung 2 zusammen mit dem in Fig. 4 dargestellten Rohrsystem ist folgendermaßen:

Durch dae Zuflußrohr 26 wird der unteren Kammer 24 unter Druck stehende Flüssigkeit zugeführt. Bei normalen Betriebsverhältnissen besteht Über die Rohre 36 und 32, sowie das normalerweise geöffnete, druckabhängig gesteuerte Ventil 45 eine Verbindung JWisehen der oberen Kammer 23 und der unteren .Kammer 24, so daß in beiden Kammern der gleiche Druck herrscht. Der axial bewegliche obere Tragkopf 10 befindet sich dabei in seiner normalen Betriebslage, die sich als Gleichgewichtszustand zwischen den in der oberen Kammer 23 herrschenden statischen Druck und dem im Dichtspalt 29 sich einstellenden hydrodynamischen Druck des Flüssigkeitakeils ergibt. Sinkt nun der Druck in der unteren Kammer 24 unter einem vorher eingestellten niedrigen Druckwert P- ab, so wird das Ventil 45 durch den mit dem Rohr 36 verbundenen Druckschalter 46 und den Antrieb 47 betätigt, so daß es die Verbindung zwischen den Rohren 32 und 36 schließt und eine Verbindung zwischen dem Rohr 32 und dem Abflußrohr 31 herstellt.

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Dadurch fließt die Druckflüssigkeit aus der oberen Kammer 23 ab, was durch die Kolbenwirkung eine axiale Bewegimg ä@s ruhenden Tragkopfes 10 im Sinne einer Entfernung der beiden axialen G3e itringe 7 und 9 voneinander zur Folge hat» ■

Wenn der Druck in der unteren Kammer 23 sich wieder erhöht" raid einen eingestellten höheren Druekwert Pp'Überschreitens so wird das Ventil 45 von dem Druckschalter 46 wiederum betätigt und die Verbindung zwischen' den Rohren 36 und 32 wieder hergestellte Dadurch fließt die unter Druck stehende Flüssigkeit von öes? unteren Kammer 24 in die obere Kammer 23 tüid führt den asial beweglichen stehenden Tragkopf 10 in die normale Betria"bslage zurück, in der sie solange verbleibt, wie der niedrige Druck·=· wert P. in der unteren Kammer 24 nicht wieder auftritt„. Auf einfachste Weise wird dadurch erreicht, daß die axialen Gleitringe bei niedrigen Druckwerten in eine sichere Entfernung zueinander gebracht werden, so daß eine Beschädigung der Wellendichtung infolge einer Berührung der Dichtflächen nicht auftreten kann und daß nach Wiederherstellung der normalen Draek*- verhältnisse die axialen Gleitringe selbsttätig wieder in ihre normale Betriebslage zurückgeführt werden. .

7 Ansprüche
4 Figuren

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Claims

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-T-Gßla 2_S dadurch

daB zwischen ä&m Ton der oberen Faaaer (23) kommenden Rohr (32) lind, dem Abfi'&fefslir (31) festJc dem sm d©r unteren Kammer (24) führenden Hefe C?6) Je^^ils sin feactegesteuertes Ventil (33»35) angeorinet ist vmä A^i tieiie gegeaeiBanaer so verriegelt sind, dail die Verbindimg su:e m?.tereB-K^ßimer (24) durch Offnen des entsprechenden lentils (35) nur hergestellt, werden kann, nachdem das die Yeröinci'OKg srns Abflußrohr (31) regelnde Ventil (33) jjsuvor einmal gsoff^s^ irad geschlossen "hatte₀

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4. Gleitringdichtung nach Anspruch 3», dadurch gekennzeichnet, daß bei normalem Betriebsdruck beide Ventile (33*35) geschlossen sind.

5. Gleitringdichtung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß beide Kammern (23,24) gegeneinander abgedichtet sind.

6. Gleitringdichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das von der oberen Kammer (23) kommende Rohr (32) über
ein einziges druckgesteuertes Ventil (45) entweder mit einem Abflußrohr (31) oder mit der unteren Kammer (24) verbunden ist.

7· Gleitringdichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei normalem Betriebsdruck die untere (24) und obere (23) Kammer miteinander verbunden sind.

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