DE2135344C3 - Vorrichtung zur Dichtung und Lagerung der ein Maschinengehäuse durchdringenden Welle - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dichtung mittels Sperrflüssigkeit und Lagerung der ein Maschinengehause durchdringenden Welle und setzt sich eine Verbesserung der Sperrflüssigkeitsdichtung zum Ziel.

Hierzu schlägt die Erfindung eine Büchse vor, welche nicht nur einen von einer Sperrflüssigkeit mit gegenüber dem Innendruck der Maschine erhöhtem Druck durchflossenen engen Dichtungsspalt und einen zur Übertragung des Rotorgewichtes mittels eines hydrodynamischen Schmiermittelfilms dienenden Dichtungsspalt aufweist, sondern auch im Bereich des Tragspaltes mittels eines elastisch wirkenden Elementes im Maschinengehäuse abgestützt ist.

Dabei macht sich die Erfindung die überraschende Erkenntnis zunutze, daß ein hydrodynamischer Flüssigkeitsfilm eine Büchse viel genauer zu zentrieren vermag als ein dünner Sperrflüssigkeitsfilm, selbst wenn die Büchse noch schwimmend angeordnet wäre. Daraus entsteht die weitere Folge, daß — insbesondere für hohe Drücke mit sehr dünnen Sperrflüssigkeitsfilmen — es gelingt, ein Traglager der Welle gleichzeitig mit der Dichtungsrkichse starr zu verbinden, vorausgesetzt, daß das Traglager nicht durch starre Einspannung im Maschinengehäuse in seiner Beweglichkeit gehemmt ist. Eine solche Bewegungshemniung wird durch die elastisch nachgiebige Abstützung in genügendem Maße verhindert. Eine kombinierte Dichtungs- und Tragbüchse vermag so allen Relativbewegungen der Wellenachse gegenüber dem Maschinengehäuse, z. B. Schwinggungsbewegungen oder Bewegungen infolge Lastenänderungen, einwandfrei zu folgen. Dichtungen nach der Erfindung eignen sich vor allem für Turbomaschinen besonders bei erhöhten Drücken, wenn die Dichtfilmf möglichst dünn zu halten sind. Schließlich bringt di« Verbindung der Dichtungsbüchse mit der Tragbüchss zu einer starren Einheit mit elastischer Abstützung gegenüber der an sich bekannten, getrennten einzelner Verwendung dieser drei Mtrkmale — den weiterei wesentlichen Vorteil einer Kürzung der Maschinenlän ge und damit eine weitere Verbesserung der dynami sehen Verhältnisse.

Die drei Teilmerkmale sind allerdings einzeln unc unabhängig voneinander schon bekannt. So zeigt ζ. Β die britische Patentschrift 652 109 eine von Sperrflüs sigkeit durchströmte Dichtungsbüchse, die Österreich! sehe Patentschrift 232 804 ein hydrodynamisches Lagei und die deutsche Auslegeschrift 1 116 483 eine radia federnde Abstützung einer Lagerschale. Die erfin dungsgemäße Vereinigung aller drei Merkmale hat in dessen eine Wechselwirkung zur Folge, die darin besteht, daß infolge zuverlässiger Zentrierung der Sperr büchse mittels des hydrodynamischen Lagers zusammen mit der federnden Abstützung der miteinandei vereinigten Büchsen die Gefahr einer Zerstörung de; Sperrfilms und damit eine mechanische Zerstörung ver hütet werden kann.

Das elastisch wirkende Element kann z. B. aus einei Packung zwischen Gehäuse und Dichtungsbüchse kon zentrisch aufeinandergestapelter, von der Zylinderforn· leicht abweichender und dadurch elastisch wirkende! Schalen bestehen. Die Büchse zur Bildung keilförmiger hydrodynamischer Tragfilme kann im tragenden Ab schnitt mit mindestens zwei taschenartigen, axial ge richteten Vertiefungen versehen sein oder zur Bildung keilförmiger, hydrodynamischer Tragfilme mit neigbaren Lagersegmenten ausgerüstet sein.

Die Erfindung ist an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

F i g. 1 veranschaulicht eine Dichtungsbüchse mil einfachem Radiallager zu deren Führung im Längsschnitt;

F i g. 2 und 3 lassen im Längs- bzw. Querschnitt eine Dichtung mit zwei Dichtungsbüchsen erkennen, vor denen eine der Büchsen neben einem Abschnitt mil einem Dichtungsspalt einen zweiten Abschnitt besitzt dessen Spalt zur Ausbildung eines Iragfilms geeignet ist;

Fig.4 zeigt den Querschnitt einer mit neigbarer Lagersegmenten ausgerüsteten Dichtungsbüchse schließlich läßt

F i g. 5 eine Dichtungsbüchse erkennen, deren dichtender Abschnitt umgekehrt auf der Seite höherer Druckes und der tragende Abschnitt auf der Seite niedrigeren Druckes angeordnet sind.

Das Maschinengehäuse 1 (Fig. 1) wird von einer Welle 2 durchdrungen. Die Durchdringung ist gegen die Differenz des Innendruckes Pi gegen den Außendruck Pa abzudichten. Hierzu wird die Welle durch eine Dichtungsbüchse 3 umschlossen. Ein Raum 4 isi durch einen Deckel 5 so abgeschlossen, daß zwischen dem Boden des Raumes 4 und der Deckelfläche eir Abstand t besteht. Die Länge der Dichtungsbüchse 3 isi so gewählt, daß auch bei den größten vorkommender Temperaturdifferenzen zwischen dem Gehäuse 1 unc der Büchse 3 noch ein genügendes axiales Spiel si für die radiale Bewegung der Büchse bestehenbleibt. Eir Stift 11 sichert die Dichtungsbüchse gegen Drehung mit der Welle, läßt ihr aber Spiel zur radialen Einstellung frei.

Die Dichtungsbüchse 3 besitzt am inneren Umfang drei Abschnitte 6, 7 und 8. Davon dienen die Abschnitte β und 7 zum Dichten gegen die Hochdruckseite bzw. die Niederdruckseite und der Abschnitt 8 zur radialen Führung der Büchse 3 gegenüber der Welle 2 und zum Tragen des Gewichts von Welle jnd Rotor. Das durch die Bohrung 9 des Gehäuses mit dem Sperrdruck Ps zugeführte Sperrmittel gelangt durch die Bohrung 10 der Dichtbüchse 3 in den Abschnitt 8, welchei zur Ausbildung keilförmiger, hydrodynamischer Gleitfilme mit einer Anzahl von Nuten und keilförmiger Erweiterungen (wie sie beispielsweise in Fig.3 dargestellt sind) dient.

Die der Dichtung dienenden Abschnitte 6 und 7 bilden mit der Welle zusammen engere Spalte s2 und s3 i< als der Spalt 54 des tragenden Abschnittes 8. Durch diese Bemessung können im Abschnitt 8 tragfähige hydrodynamische Gleitfilme von keilförmiger Gestalt entstehen, welche geeignet sind, die Büchse sireng zentnsch zur Welle zu hallen und damit eine metallische Berührung in den dichtenden Abschnitten 6 und 7 zu verhindern.

An der Außenseite weist die Dichtungsbüchse 3 eine Nut 18 auf, in welche ein elastisches Element 29 eingelegt ist. Dieses Element besteht aus einzelnen Schalen 20, die in drei Lagen zu einem zylinderähnlich, die Welle umgebenden Element gestapelt sind. Die koaxial übereinandergestapelten Schalen besitzen eine leicht von der Zylinderform abweichende Form, so daß ihre elastische Wirkung bei der Übertragung von radialen Kräften — insbesondere des Gewichts und der durch Schwingungen entstehenden Kräfte — von der Welle über den Schmierfilm auf das Gehäuse die Dichtflächen der Büchse ungehindert den Bewegungen der Gegenflächen auf der Welle folgen läßt.

Der Druck Ps des zugeführten Sperrmittels ist um einen kleineil Betrag höher als der Druck Pi im Maschinengehäuse, so daß durch die in den Spalten si und s2 entstehende Sperrströmung ein Eintritt von Gasen in das Stopfbüchsgehäuse 4 verhindert wird. Der Abschnitt 7 dient zur Abdichtung des Sperrmitlels gegenüber dem Außenraum. Es entsteht dabei über die Länge dieses Abschnittes ein Druckgefälle vom Sperrmitteldruck Ps auf den Außendruck Pa. Die hei diesen Sperrströmungen einerseits in das Maschinongehäuse und andererseits nach der Außenseite durchdringenden Mengen an Sperrmittel müssen durch nicht gezeichnete Vorrichtungen aufgefangen und abgeführt werden.

Die in den F i g. 2 und 3 dargestellte Dichtung besitzt zwei Dichtungsbüchsen: eine Büchse 12 für die Hochdruckseite und eine Büchse 13 für die Niederdruckseite. Die Gesamtlänge beider Büchsen 12 und 13 muß so viel kleiner als der Abstand zwischen dem Boden des Stopfbüchsraumes 4 und dem Deckel 5 sein, daß auch bei den größten Temperaturdifferenzen die Büchsen radial noch frei beweglich sind. Das Sperrmittel wird durch die Bohrung 9 in das Stopfbüchsgehäuse 4 und von hier durch Bohrungen 14 in den Spalt zwischen den beiden Büchsen 12 und 13 eingeführt. Von hier aus entsteht eine Sperrströmung durch den Dichtungsspalt zwischen der Büchse 12 und der Welle 2 gegen die Hochdruckseite und zum andern durch den Dichtungsspalt zwischen der Büchse 13 und der Welle 2 nach der Niederdruckseite.

Die Büchse 12 auf der Hochdruckseite besitzt gegenüber der Welle 2 ein Spiel 52, außerdem ist ihre Innenfläche mit einem Gewinde 15 versehen, das bei der Betriebsdrehrichtung d das aus dem Gehäuse 4 in den Dichtungsspalt eindringende Sperrmittel versucht zurückzudrängen, so daß die Sperrmittelmenge, welche in das Maschinengehäuse hineingelangt, möglichst klein bleibt.

Die Büchse 13 auf der Niederdruckseite besitzt zwei Abschnitte 7 und 8, von welchen der eine zum Abdichten des Sperrmittels gegen die Niederdruckseite und der zweite der radialen Führung der Büchse auf der Welle dient. Im Abschnitt 8 is;t der Spalt s4 zwischen der Büchse und der Welle weiter a)s der Späh s3 zwischen dem Abschnitt 7 und der Welle. Wie der Schnitt Will der Fig. 2 in F i g. 3 zeigt, sind im Abschnitt 8 drei Taschen 16 vorgesehen, durch welche das Sperrmittel zur Bildung eines Tragfilms im Abschnitt 8 und zur Bildung eines Dichtfilms im Abschnitt 7 zuströmen kann. In Drehrichtung anschließend an die Taschen 16 besitzt die Büchse 13 im Abschnitt 8 keilförmige Ausnehmungen 17. welche mit einer Spalttiefe 54 beginnen und bis zur nächsten Tasche sich verengen. Die Spalttiefe <4 ist jedoch mindestens in einem größeren Teil jedes Keils weiter als die Spalttiefen s2 und s3 der für die Sperrströmung bestimmten Abschnitte 6' und 7. In den Ausnehmungen 17 entstehen Tragfilme, welche zunächst die Büchse 3 gegenüber der Welle 2 zentrieren und überdies imstande sind, Radialkräfte von der Welle auf die Büchse, ohne die Zentrierung zu stören, zu übertragen. An der Außenseite weist die Dichtungsbüchse 13 eine Nut 18 auf, in welche ein elastisches Element 19 zur Übertragung von radialen Kräften von der Welle über den Schmierfilm auf das Gehäuse eingelegt ist.

An Stelle von Schmiertaschen 16 und Ausnehmungen 17 können auch, wie in F i g. 4 dargestellt, neigbare Lagersegmente 21 zur Lagerung der Welle verwendet werden. Hierzu ist in der Büchse 13 eine Nut 22 vorgesehen, welche die Segmente 21 aufnimmt und durch anschließende Bohrungen 23 mittels in diese greifender Stifte 24 gegen Drehung sichert. Die Segmente 21 können sich nun so neigen, daß die für die Lagerung günstigste Form der Tragkeile 25 sich einstellt.

Schließlich zeigt F i g. 5, daß der zur Zentrierung der Büchse 13 verwendete Abschnitt 8 nicht durchaus zwischen den Dichtungsabschnitten 7 und 6 (F i g. 2) zu liegen braucht. Er ist in diesem Fall nach der Niederdruckseite außerhalb die Dichtungsabschnitte verlegt, braucht aber dann einen zusätzlichen Dichtungsabschnitt 26, welcher das Ausfließen des als Tragfilm zur Wirkung kommenden Dichtungsmittels aus dem Bereich 8 nach der Außenseite des Maschinengehäuses auf das zulässige Maß beschränkt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Dichtung mittels Sperrflüssigkeit und Lagerung der ein Maschinengehäuse durchdringenden Welle, gekennzeichnet durch eine Büchse (3), weiche nicht nur einen von einer Sperrflüssigkeit mit gegenüber dem Innendruck der Maschine erhöhten Druck durchflossenen engen Dichtungsspalt (s2, si) und einen zur Übertragung des Rotorgewichtes mittels eines hydrodynamischen Schmierfilmes dienenden Tragspalt (s4) aufweist, sondern auch im Bereich des Tragspaltes (s4) mittels eines elastisch wirkenden Elementes (19) im Maschinengehäuse abgestützt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadu-ch gekennzeichnet, daß das elastisch wirkende Element (19) aus einer Packung zwischen Gehäuse und Dichtungsbüchse konzentrisch aufeinandergestapelter, von der Zylinderform leicht abweichender und dadurch elastisch wirkender Schalen (20) besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (13, Fig. 3) zur Bildung keilförmiger, hydrodynamischer Tragfilme im tragenden Abschnitt (8, F i g. 1) mit mindestens drei la schenartigen, axial gerichteten Vertiefungen (16, F i g. 3) versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (13, Fig.4) zur Bildung keilförmiger, hydrodynamischer Tragfilme im tragenden Abschnitt (8, Fig. 1) mit neigbaren Lagersegmenten (21, F i g. 4) ausgerüstet ist.