DE2146026A1

DE2146026A1 - Dynamische Wellendichtung mit Spaltring und Kräftegleichgewicht

Info

Publication number: DE2146026A1
Application number: DE19712146026
Authority: DE
Inventors: Adam Nelson Cincinnati Ohio Pope (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-12-29
Filing date: 1971-09-15
Publication date: 1972-07-13
Also published as: JPS5612743B1; BE773115A; CA958043A; FR2120656A5; SE378447B; NL7113376A; GB1365084A; CH543022A; US3743303A; IL37731A0; DE2146026C2; IL37731A

Description

1 River Road
Schenectady, N.Y. / U.S.A.

Dynamische Wellendichtung mit Spaltring und Kräftegleichgewicht

Die Erfindung betrifft allgemein dynamische Wellendichtungen zur Trennung von Bereichen mit Flüssigkeiten und/oder Gasen unter hohem und unter niedrigem Druck. Insbesondere betrifft die Erfindung Verbesserungen für dynamische Wellenabdichtungen eines Typs ähnlich einem Kolbenring (piston ring type).

Das Problem der Trennung von Flüssigkeiten (beispielsweise öl) von Gasen entsteht fast in jedem Gerät, das drehende Teile besitzt, welche eine Schmierung erfordern. Bei vielen Maschinen, beispielsweise Gasturbinentriebwerken, wird das Problem dadurch kompliziert, daß erstens die Bauteile sich mit extrem hoher Drehzahl drehen und zweitens große Druckdifferenzen beiderseits der Dichtungselemente erzeugt werden. In solchen Geräten, wie Gas-

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turbinentriebwerken, sind Drehzahlwerte von 30 000 Umdrehungen pro Minute oder mehr und Druckunterschiede beiderseits der Dich-

2 2 tungselemente in der Größenordnung von etwa 10 kg/cm (10 psi) sehr häufig. Wenn die Dichtungselemente verwendet werden, um eine Schmiermittelzufuhr für die Maschine zu gewährleisten, kann ein Defekt eines solchen Elementes eine kostspielige Außerbetriebsetzung und Reparatur verursachen.

Weiterhin werden in gewissen Anwendungsfällen die Dichtungselemente manchmal extrem hohen Temperaturen unterworfen. Sogar wenn das Dichtungselement selbst nicht diesen Temperaturen unterworfen wird, unterliegen die sich drehenden Bauteile einer hohen Temperatur, und die daraus entstehende thermische Ausdehnung kann eine relative Bewegung zwischen den Dichtungselementen und den sich drehenden Teilen verursachen. Dies erhöht weiter die Probleme bezüglich der Dichtungselemente.

Bei vielen vereinfachten Geräten mit sich drehenden Bauteilen können einfache, zuverlässige und billige Dichtungen von der Art eines Kohle- oder Graphitringes verwendet werden. Bei komplizierteren Geräten jedoch, beispielsweise bei Gasturbinentriebwerken, schließen die oben beschriebenen Probleme normalerweise die Anwendung solcher Dichtungen aus. Bei solchen Geräten sind daher die Dichtungselemente immer mehr verfeinert worden und im gleichen Maße komplizierter und kostspieliger geworden.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Dichtung vom Typ ähnlich einem Kolbenring zu s diaffen, welcher für hohe Drehzahlen, Temperaturen und Drucke verwendbar ist.

Es ist weiterhin ein Ziel der Erfindung, eine solche Dichtung zu schaffen, in der die Kräfte auf gegenüberliegenden Seiten der Dichtung im Gleichgewicht stehen, um dadurch die Abriebbelastung; der Dichtung zu verringern und auf diese Weise die Lebensdauer der Dichtung zu erhöhen.

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Diese und weitere Ziele und Vorteile werden dadurch erreicht, daß eine dynamische Dichtung von einem Typ ähnlich einem Kolbenring vorgesehen wird. Diese ist in einer Nut untergebracht, die in einem Dichtungsgehäuse ausgebildet ist. Sie enthält Vorrichtungen zur Erzeugung einer Servokraft in einer oder mehreren der druckaufnehmenden Flächen. Die Servokraft-Erzeugungsvorrichtung ist so angepaßt, daß sie eine Kraft liefert, welche sich der Änderung des Spaltes zwischen der Dichtringfläche und dem Dichtringsitz ändert. Auf diese Weise werden Ausgleichskräfte erzeugt, welche dazu neigen, den Dichtring in der Nut zu zentrieren und dadurch die Abriebbelastung zwischen den Dichtungsflächen und dem Dichtungssitz zu verhindern oder zu verringern.

Die nachstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen dient einer weiteren Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht im Schnitt eines vorbekannten Dichtungselementes in Form eines Graphitkolbenrings, bei der einige Teile weggelassen sind.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht im Schnitt eines vorbekannten Graphitdichtungsrings, der am Umfang angeordnet ist.

Fig. 3 ist eine Seitenansicht im Schnitt für ein Dichtungselement von einem Typ ähnlich einem Kolbenring gemäß der Erfindung.

Fig. h ist ein Schnitt längs der Linie Ü-k der Fig. 3. Fig. 5 ist ein Schnitt längs der Linie 5-5 der Fig. 3. Fig. 6 ist ein Schnitt längs der Linie 6-6 der Fig. 3.

Fig. 7 ist ein vereinfachtes Kräftediagramm der Kräfte in der •Dichtungsanordnung nach Fig. 3·

2 ο ε: ' / ο υ 3 λ

Pig. 8 ist eine Seitenansicht im Schnitt für eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtungselementes.

Fig. 9 ist ein Schnitt längs der Linie 9-9 der Pig, 8.

Fig. 10 ist eine Seitenansicht im Schnitt von einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtungselementes.

Fig. 11 ist ein Schnitt längs der Linie 11-11 der Fig. 10.

Fig. 1 zeigt einen einfachen Graphitkolbenring 2, der als Luft/ Öl-Dichtung zwischen zwei rotierenden Wellen 4 und 6 verwendet wird. Der Dichtungsring 2 ist in einer Nut 8 auf der inneren Welle 4 angebracht, und Zentrifugalkräfte bewirken das Anliegen des Rings 2 gegen die äußere Welle 6. Wie in Fig.l gezeigt, unterliegt der Dichtungsring 2 auf einer Seite einem hohen Druck P₁ und auf der gegenüberliegenden Seite einem niedrigen Druck Pp. Der Druckabfall über dem Dichtungsring 2 übt eine erhöhte radiale Kraft auf diesen aus und erzeugt auch eine Axialkraft, wie durch die kleinen Pfeile in der Fig. 1 gezeigt. Mit der Erhöhung dieses Druckabfalls preßt die aufgeprägte Dichtungskraft den Dichtungsring 2 gegen eine Niederdruckfläche 10 des Axialsitzes der Dichtung, welcher durch die Nut 8 gebildet ist. Die Kombination der Zentrifugal- und Druckkräfte auf den Dichtungsring 2 bewirkt, daß auf der rechten Fläche des Dichtungsrings hohe Reibkräfte auftreten. Weiterhin wird beim Auftreten einer relativen axialen Bewegung zwischen der rotierenden Welle 4 und der rotierenden Welle 6 der Dichtungsring 2 durch die Kräfte gleitend in einer axialen Richtung auf einer inneren Fläche 12 einer äußeren Welle 6 verschoben. Diese Gleitbewegung ist jedoch entgegengesetzt der Zentrifugalkraft und der Druckkraft, welche auf den Dichtungsring 2 ausgeübt werden. Dies kann daher zu noch höheren Reibbelastungen zwischen der rechten Fläche des Rings 2 und der Niederdruckfläche 10 der Nut 8 führen. Diese hohen Reibbelastungen bewirken eine hohe Verschleißgeschwindigkeit, welche zu erhöhten

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— κ _Η

Leckraten und einer begrenzten Lebensdauer der Dichtung führen.

Fig. 2 zeigt eine typische Umkreis-Graphitdichtung nach dem Stand der Technik. Sie enthält einen am Umkreis angebrachten Graphitring 14, der eine sich drehende Welle 16 umgibt, und durch ein stationäres oder sich drehendes Gehäuse 18 an seinem Platz gehalten wird. Der Graphitring 14 wird an seinem Platz gehalten mit Hilfe einer am Umfang befindlichen Feder 20, die sich in eine Nut in der äußeren Fläche des Graphitringes l4 einfügt. Der Ring 14 wird weiterhin in seine Lage gebracht durch eine zweite Feder 22, welche zwischen dem Ring 14 und einem Halteteil 24 angebracht ist und den Ring gegen das Gehäuse 18 preßt. Der Druckabfall über dem Dichtungselement bei dieser Art Dichtung ist begrenzt, um eine genügende brauchbare Lebensdauer zu erhalten, da sich die Reibbelastungen mit der Erhöhung des Druckabfalls über der Dichtung ebenfalls erhöhen. Wenn daher der Druckabfall von dem Druck P^ nach dem Druck Pp groß ist, ist die Lebensdauer des Graphitringes 14 bei dieser Art von Dichtung begrenzt.

Fig. 3 zeigt eine dynamische Wellendichtung vom Typ ähnlich einem Kolbenring und mit Kräftegleichgewicht gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie" nachstehend erörtert, ist die Wellendichtung 26 geeignet für praktisch jeden Anwendungsfall, bei dem ein Druckabfall über der Dichtung vorhanden ist. Die im einzelnen beschriebenen Anwendungsfälle dienen daher nur zur Veranschaulichung der Vielzahl der möglichen Anwendungsbereiche. Die Wellendichtung 26 umfaßt einen Dichtungsring 28, der unter einem radialen Dichtungssitz 30 eingefügt ist. Er umfaßt in dem vorliegenden Fall die innere Bohrung einer rotierenden Welle 32. Der Wellendichtungsring 28 ist in eine Nut im Inneren einer rotierenden Welle 36 so eingesetzt, daß er Axialsitze 38 und 40 für den Ring 28 liefert. Die Welle 36 ist hier als einzelner Teil gezeigt. Es ist jedoch offensichtlich, daß bei vielen Anwendungsfällen die Welle 36 aus zwei oder mehr Teilen bestehen wird, die zum leichteren Zusammenbau in geeigneter Weise miteinander verbunden sind.

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Der Druckabfall über der Dichtung wird hier nach Fig. 3 von links nach rechts angenommen, d. h. der hohe Druck ist mit P₁ bezeichnet und der niedrigere Druck mit Pp.

In dem Beispiel nach Fig. 1 wird der Dichtungsring 28 gegen den radialen Dichtungssitz 30 infolge der Drehung der Welle 32 durch Zentrifugalkräfte gehalten. Wie aus der weiteren Beschreibung ersichtlich, ist der Dichtungsring 28 jedoch in idealer Weise geeignet, für die Verwendung zwischen einer sich drehenden und einer stationären Welle. In einem solchen Falle wird der Dichtungsring 2 8 entweder durch innewohnende Federkraft des Dichtungsringes selbst oder durch eine von der stationären Welle ausgeübte Kraft gegen den radialen Dichtungssitz 30 gehalten. Selbstverständlich kann der Dichtungsring 28 in seiner Lage durch eine beliebige Kombination von Zentrifugalkraft und innewohnender Federkraft des Dichtungsrings gehalten werden entsprechend den jeweiligen Anforderungen der Konstruktion und/oder der Betriebsbedingungen.

Der Dichtungsring 28 ist nicht ein kontinuierlicher Ring, da er entsprechend Fig. 4 bis 6 mindestens einen Spalt 4l enthält, um eine radiale Ausdehnung des radialen Dichtungssitzes 30 zu berücksichtigen. Wie aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich, ist der Dichtungsring 28 mit einer Ringnut 42 am gesamten äußeren Umfang ausgestattet, die jedoch an dem Spalt 4l abgedichtet ist, um eine Strömung von dem Spalt zu der Nut zu verhindern. Aus nachstehend erörterten Gründen ist die Ringnut mit der Hochdruckseite der Dichtung durch eine Vielzahl von Entlüftungskanälen 44 verbunden. Diese bestehen aus Schlitzen, die in die äußere Oberfläche des Dichtungsringes 28 maschinell eingearbeitet sind. Das unter hohem Druck stehende Gas oder Flüssigkeit ist abgedichtet gegenüber der Niederdruckseite mit Hilfe eines schmalen Damms 46 (dam), der sich an der Niederdruckseite des Dichtungsrings 28 befindet. Wie aus Fig. 3 und 6 ersichtlich, enthält die niederdruckseitage Stirnfläche des Dichtungsringes 28 eine oder mehrere am Umfang ver-

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laufende Nuten 48, die durch eine oder mehrere radiale Nuten 50 untereinander verbunden sind. Die Nuten 48 sind auch durch eine Vielzahl von öffnungen 52 mit der Hochdruckseite der Dichtung 26 verbunden, die von den Kanälen 44 aus zu den Nuten 48 verlaufen. Die Nuten 48 sind ebenfalls zur Verhinderung einer Durchströmung an dem Spalt 4l abgedichtet.

Die Arbeitsweise der Dichtung 26 wird nunmehr im einzelnen beschrieben. Hierzu seien zur Vereinfachung der Beschreibung die folgenden Annahmen getroffen:

Die Welle 32 dreht sich mit einer höheren Drehzahl als die Welle 36 und die Zentrifugalkräfte oder die eigenständigen Kräfte des Rings 28 sind ausreichend, um zu bewirken, daß sich der Ring 28 mit der Welle 32 dreht. Die Arbeitsweise der Dichtung 26 wäre auch dann ähnlich der nachstehend beschriebenen, wenn diese Annahme nicht gegeben wäre. Die Arbeitsweise wird im Zusammenhang mit der Fig. 7 beschrieben, in der ein vereinfachtes Kräftediagrarcm die Kräfte zeigt, die auf den Dichtungsring 28 in axialer Richtung wirken. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind radiale Kräfte nicht dargestellt.

Bezüglich dieser Radialkräfte kann festgestellt werden, daß die unter dem höheren Druck P₁ stehende Luft einen Druck in der Ringnut 42 und den Entlüftungskanälen 44 in der äußeren Stirnfläche des Dichtungsrings 28 erzeugt. Der Bereich unter dem Dichtungsring 28 wird durch die Bohrungen 54 in der Welle 36 auf einen niedrigeren Druck P_? entlüftet (vented). Da ein hoher Druck an der äußeren Stirnfläche des Dichtungsrings 28 und ein niedriger Druck an dem inneren Durchmesser desselben herrscht, wird auf den Ring 28 eine resultierende, radial nach innen gerichtete Kraft ausgeübt, wenn man nur diese Druckkräfte berücksichtigt. Die Größe und Richtung dieser resultierenden Radialkraft kann entsprechend den Erforderhissen dadurch geändert werden, daß die Breite des Abdichtdamms 46 am äußeren Durchmesser des Dichtungsrings 28 erhöht wird, das Axialspiel zwischen dem Dichtungsring 28 und dem axialen Sitz 38 vergrößert oder verkleinert

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wird, der Querschnitt der Entlüftungskanäle 44 geändert wird oder indem der Damm 46 axial versetzt wird.

Bezüglich der Axialkräfte ist zu beachten, daß Luft (oder Flüssigkeit) in einem axialen Spielraum (h..) zwischen dem axialen Sitz 38 und dem Dichtungsring 28 bei hohem Druck P. eintritt. Dieser axiale Spielraum bildet eine Strömungsverengung oder einen Kanal 56, in dem der Druck mit der Strömung des Gases radial nach innen sich vermindert, bis das Gas einen Einschnitt 58 in dem Ring 28 erreicht. An diesem Punkt dehnt sich das Gas auf den Druck (Pp) der Niederdruckseite der Dichtung 26 aus. Die resultierende Wirkung dieser Strömung ist eine Kraft F., welche gegen die Hochdruckstirnfläche des Dichtungsringes 28 ausgeübt wird.

Wie bereits erwähnt, wird die unter hohem Druck stehende Luft auch mittels der öffnungen 52 zur Niederdruckseite des Dichtungsringes 28 geleitet. Dadurch ist es möglich, die Umfangsnuten 48 auf einen gleichen Druck zu bringen, wie auf der Hochdruckseite der Dichtung. Jede der Nuten 48 befindet sich in einem radialen Abstand, der unter Berücksichtigung der maximalen Ausdehnung des Ringes 28 unter dem äußeren Durchmesser der Welle 36 liegt. Wenn daher das Axialspiel (hp) zwischen dem Dichtungsring 28 und dem axialen Dichtungssitz 40 Null beträgt, strömt keine Luft durch die Düsen 52, und der Druck der Umfangsnuten 48 ist gleich dem Druck der Hochdruckseite der Dichtungiördnung.Dieser erzeugt eine Kraft Fp, welche die Reibbelastungen an der Grenzfläche zwischen der Niederdruck-Stirnfläche des Ringes 28 und dem Axialsitz 40 behebt oder beseitigt. Durch geeignete Konstruktion des Gesamtquerschnittes der Nuten 48 und des Querschnittes der Hochdruck-Stirnfläche des Dichtungsringes 28, kann man die Kräfte F₁ und F^ und damit die resultierende Axialkraft auf den Dichtungsring 28 ändern. Die Fläche der Hochdruckseite kann dadurch geändert werden, daß die Lage des Einschnittes 58 verschoben wird. Dieser Einschnitt 58 bestimmt auch die radiale Länge des Kanals 56.

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Wenn als Ergebnis dieser resultierenden Kraft das Spiel h^ zwischen dem Dichtungsring 28 und dem linken axialen Sitz 38 sich dem Wert Null nähert und dadurch der Kanal 56 gesperrt wird, erhöht sich notwendigerweise das Spiel hp zwischen der Niederdruckfläche und dem Axialsitz 40. Der Luftstrom durch die Düsen 52 ist dann angenähert einer gedrosselten Strömung und der Druck in den Umfangsnuten 48 wird sich verringern. Dies wird seinerseits eine resultierende Kraft rechts von dem Dichtungsring 28 erzeugen, welche der oben erwähnten Kraft entgegenwirkt und die Reibungskräfte zwischen dem Axialsitz 38 und dem Dichtungsring 28 vermindert oderjbeseitigt. Daher hängt die resultierende Axialkraft auf dem Dichtungsring 28 von der Lage des Ringes 28 in der Nut ab, und die Gesamtkräfte neigen dazu, den Dichtungsring 28 in der Nut 8 zu zentrieren. Da der Druckabfall von P^ nach Pp durch die Kanäle 56 bei radialer Verschiebung des Ringes 28 relativ konstant bleibt und andererseits der Druckabfall von P, nach Pp von den Nuten 48 sich zusammen mit dem Spiel h„ ändert, ist die Größe der rechten Niederdruck-Stirnfläche normalerweise so ausgelegt, daß sie doppelt so groß ist wie die Hochdruck-Stirnfläche. Dadurch ist gewährleistet, daß entsprechend Fig. 3 bei allen Betriebszuständen auf den Dichtungsring 28 eine Kraft nach links ausgeübt.wird.

Neben der Beseitigung oder Verminderung der Axialkräfte ist noch zu beachten, daß beim Auftreten einer Reibung an der Grenzfläche des Dichtungsrings 28 und des radialen Sitzes 30 wegen relativer thermischer Bewegung zwischen den Wänden 32 und 36 der Ring in der Nut 28 relativ frei axial gleiten kann wegen der oben beschriebenen resultierenden radialen Druckkräfte. Auf diese Weise sind die Reibungsbelastungen an den Berührungsflächen auf allen drei tragenden Flächen des Dichtungsringes 28 gering genug, um die hohe Verschleißgeschwindigkeit zu vermeiden, wie sie bei Ringen gemäß dem Stand der Technik nach Fig. 1 und 2 auftritt.

Das Ausmaß des Durchtretens von Luft oder Flüssigkeit durch die Dichtung 26 ist hauptsächlich gesteuert durch die Größe des Spiels

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h₁ an der Berührungsfläche des Dichtungsringes 28 und des Axialsitzes 38. Die Durchtrittsgeschwindigkeit kann eingestellt werden durch Variieren des Spiels und/oder der Länge des Kanals 56.

Bei konstruktiven Erwägungen, die zu einer großen relativen Bewegung zwischen der Welle 32 und der Welle 36 führen, kann die
Ringnut 42 durch einen radialen Servo in der äußeren Stirnfläche des Wellendichtungsringes 28 ersetzt werden. Dieser Servo könnte ähnlich sein wie der Servo in der Niederdruckfläche nach Fig. 3> oder es könnte ein stufenförmiger oder kegelförmig verjüngter
Servo sein. In einem solchen Falle würde der Servo eine Verringerung der radial nach innen gerichteten Druckkräfte auf den
Dichtungsring ergehen, wenn das Spiel zwischen dem Ring 2 8 und
dem radialen Sitz 30 größer als Null wird. Ein besonderer Vorteil dieser Art der Konstruktion besteht in der Verhinderung eines
großen Spiels und der daraus resultierenden hohen Durchtrittsgeschwindigkeit zwischen dem Ring 28 und dem radialen Sitz 30 unter den Bedingungen, bei denen die radial nach innen gerichteten
Druckkräfte beim Radialspiel Null die radial nach außen gerichteten Kräfte übersteigt.

Eine der vielen möglichen alternativen Ausfuhrungsformen der Dichtung 26 ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt. Der Spaltdichtungsring 28 ist hier durch einen kompakten Dichtungsring 60 ersetzt, der in seiner äußeren Fläche eine kleine Nut 62 enthält. In dieser Ausführungsform ist der schmale Damm 46 der Fig. 3 durch
einen schmalen Spaltring 64 ersetzt, der im Innern der Nut 62 angebracht ist. Der Spaltring liegt durch Druck radial an einem
Radialsitz 66, welcher durch die Innenbohrung einer Welle 68 gebildet ist. Hierdurch wird eine Strömung zwischen dem Dichtungselement und dem Radialsitz verhindert. Der Spaltring 64 liegt
auch unter Druck axial an einer Fläche 70 der Nut 62 in dem kompakten Ring 60 an.Zwischen dem kompakten Ring 60 und dem Radialsitz 66 ist ein Radialspiel vorgesehen, um eine relative Ausdehnung und Zusammenziehen dieser beiden Stücke ohne Störung zu gestatten.

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Die axialen Servokräfte auf den kompakten Ring 60 werden in gleicher Weise erhaltenj wie im Zusammenhang mit den Figuren 3 bis 6 erörtert. Hieraus wird ersichtlich, daß die Hochdruckfläche des Rings 60 eine Strömungsverengung 71 bildet, deren Länge durch Einschneiden der Hochdruckfläche entsprechend der vorstehenden Beschreibung beherrscht wird. Die Niederdruckfläche des Rings 60 ist ebenfalls mit den Umfangsnuten 48 ausgestattet, welche mittels Öffnungen 52 mit der Hochdruckseite verbunden sind. Um zu gewährleisten, daß der Spaltring 64 sich mit dem kompakten Ring 60 dreht und um auf diese Weise einen Verschleiß längs der Berührungsfläche des Spaltringes 64 und der Fläche 70 der Wut 62 zu verhindern, könnte der Spaltring 64 durch Teile an dem kompakten Ring 6o befestigt sein. Die Unterseite des kompakten Rings 60 wird ebenfalls mit Hilfe der Lüftungsbohrungen 54 auf niedriger. Druck gehalten.

Die Dichtung in Form einer Kombination eines kompakten Rings und eines Spaltrings nach Fig. 8 und 9 bietet besondere Vorteile bei einer Anwendung, bei der sich die Welle 68 mit Winkelgeschwindigkeiten dreht, die besonders Vorzentrifugalkräfte erzeugen. In diesem Falle kann der Spaltring 64, welcher unter Vorspannung an dem radialen Sitz 66 anliegt, sehr klein und mit geringem Gewicht hergestellt werden, um seine Zentrifugalkraft zu verringern. Dadurch xird die axiale Abzugskraft (drag force) zwischen der Dichtung und dem Radialsitz 66 vermindert. Andererseits kann der kompakte Ring 60 groß genug gemacht werden, um ausreichende axiale Druck-Servokräfte sogar dann zu erhalten, wenn die Druckdifferenz über der Dichtung sehr niedrig ist. Dadurch wird erreicht, daß einnal der Dichtungsring 60 zentriert wird und dadurch starke Abriebbelastung an seinen Flächen beseitigt werden und gleichzeitig eine relative axiale Bewegung der beiden Wellen gestattet wird.

Die Fig. 10 und 11 zeigen eine weitere alternative Ausführungsforrr der erfindungsgemäßen Dichtung für die Verwendung bei Anwendungsfällen, in denen der äußere Radialsitz nicht rotiert.

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In diesem Pall steht keine Zentrifugalkraft zur Verfügung, um die Dichtungsringe an ihren Sitz zu pressen. Um ein dichtes Anliegen zwischen dem Dichtungsring und dem radialen Sitz zu gewährleisten, ist ein Dichtungsring 73 vorgesehen mit einer an der Hochdruckseite axial herausragenden Lippe 74. Der hohe Druck übt auf diesen Teil 74 eine ausreichende Kraft aus, um ein dichtes Anliegen zwischen dem Dichtungsring 70 und einem radialen Sitz 76 zu gewährleisten. Die für die Zentrierung des Dichtungsrings 72 erforderlichen axialen Servokräfte werden in ähnlicher Weise erhalten, wie vorstehend im Zusammenhang mit den Fig. 3 bis 6 beschrieben. Aus diesem Grunde ist der Dichtungsring 72 mit den Umfangsnuten 48 ausgestattet, die durch Öffnungen 52 mit der Hochdruckseite der Dichtung verbunden sind.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Dichtungen sind offensichtlich anhand der vorstehenden Beschreibung. Besonders beachtenswerte Vorteile sind eine bedeutende Verminderung der Verschleißgeschwindigkeit, eine verminderte Erzeugung von Reibungswärme, eine Verringerung der Leckgeschwindigkeiten und eine Erhöhung der Lebensdauer der Dichtung im Vergleich mit den bisher verwendeten Ringdichtungen. Weiterhin sind bedeutende Verringerungen bezüglich der Kosten, des Gewichts"und der Abmessungen möglich im Vergleich zu den komplizierteren Dichtungsanordnungen, die gegenwärtig für besonders hochbeanspruchte Maschinen, wie beispielsweise Gasturbinentriebwerke, benötigt werden.

In der obigen Beschreibung wurden Dichtungen vom Typ eines Kolbenringes aus Kohlenstoff (Graphit) beschrieben. Für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Dichtung aus beliebigem Material einschließlich Metallen hergestellt werden kann, wenn Temperaturbegrenzungen oder andere Erwägungen die Verwendung von Kohlenstoff oder Graphit verhindern. Die Dichtungen sind auch für die Vielzahl der Situationen anwendbar, in denen eine Druckdifferenz über der Dichtung auftritt. Wie beschrieben, kann die Dichtung zwischen zwei rotierenden Teilen oder zwischen einem

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rotierenden und einem stationären Teil verwendet werden. Die Dichtung kann die gegenwärtig verwendeten Kolbenringdichtungen aus Kohlenstoff oder Graphit, die Umkreisdichtungen aus Kohlenstoff oder Graphit, mit Zähnen ausgestattete Labyrinthsdichtungen usw. ersetzen.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß auf der Grundlage der oben beschriebenen Ausführungsformen unter der allgemeinen technischen Lehre die verschiedensten abgewandelten Formen hergestellt werden können. Beispielsweise können die Umfangsnuten an der Niederdruckseite der Dichtungsringe beseitigt werden und die Öffnungen 52 durch größere Durchlaßkanäle ersetzt werden. Bei einer solchen Konstruktion regelt dann der freie Querschnitt am Auslaß jedes Durchlaßkanals den Luftstrom infolge des Spiels zwischen dem Dichtungsring und dem Axialsitz bei geringem Spiel. Die Größe des Kanals regelt den Strom, wenn dieser f.reie Raum am Auslaß groß ist. Weiterhin können hydrodynamische Lager an einer oder beiden Flächen des Dichtungsrings vorgesehen werden, und liefern dann eine Grenzflächenkraft infolge der Scherwirkung der Drehung der Welle auf die Luft oder Flüssigkeit. Die hydrodynamischen Lager können zusammen mit den Vorkehrungen für die Erzeugung hydrostatischer Servokräfte verwendet werden, um eine besonders vorteilhafte Konstruktion zu erhalten, wenn die vorhandenen Drucke wechseln und gelegentlich unzureichend sind,- um die Dichtungsringflächen durch hydrostatische Kräfte allein zu lagern. Schließlich können die oben beschriebenen Formen oder geringfügige Abwandlungen nicht nur für die Anwendung bei sich drehenden Teilen, sondern auch von hin- und hergehenden oder hin- und hergehenden und drehenden Bewegungen verwendet werden. Der Leistungsverbrauch und der Verschleiß können beispielsweise verringert werden, wenn die Dichtung in einen Kolbenring eingefügt wird, da der Kolbenring dann so konstruiert werden könnte, daß sich die radial nach außen gerichtete Kraft mit der Erhöhung des Drucks verringert. Daher würde sich die entsprechende Axialkraft zur Erzeugung des Gleitens des Kolbens ebenfalls verringern.

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Claims

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Ansprüche

( !./Dynamische Wellendichtungsanordnung für ein Gerät mit einem oder mehreren sich drehenden Bauteilen, die einen Dichtungsring besitzt, der an der einen Seite einem relativ hohen Druck P. und an der gegenüberliegenden Seite einem niedrigeren Druck P„ unterworfen ist, einen radialen Sitz zur Lagerung des Dichtungsrings in einer radialen Richtung und eine Nut zur Aufnahme des Dichtungsrings besitzt, wobei die Nut durch einen ersten axialen Sitz an einer Seite des Rings und einen zweiten axialen Sitz an der gegenüberliegenden Seite des Rings definiert ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Dichtungsring (28) eine Vorrichtung (52,48) zur Erzeugung einer Servokraft auf einer ersten Fläche des Rings in einem Abstand von dem ersten axialen Sitz (38) besitzt, wobei die Servokraft abhängig ist von Änderungen der Größe des Spaltes hp zwischen der ersten Fläche und dem ersten axialen Sitz und der Ring (28) eine Zentrierung in der Nut aufweist und Reibkräfte zwischen der Fläche und den axialen Sitzen praktisch beseitigt sind.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Vorrichtung (46) zur Verhinderung einer Strömung zwischen dem Dichtungsring (28) und dem Radialsitz (30) besitzt.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Fläche des Dichtungsrings eine oder mehrere Umkreisnuten (48) enthält und der Dichtungsring Vorrichtungen (52) zur Strömungsmittelverbindung der Nuten (48) mit der Hochdruckseite des Dichtungsrings besitzt.
4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß eine zweite Fläche des Dichtungsrings mit dem zweiten axialen Sitz (38) zusammen einen

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allgemein radial verlaufenden Strömungskanal (56) bildet, der im wesentlichen die Durchflußgeschwindigkeit (Leckrate) für die Dichtungsanordnung bestimmt.
5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet j daß sie Vorrichtungen (54) zur Belüftung des Teils der Nut (40) auf einen Druck besitzt, der niedriger ist als der Druck auf der Hochdruckseite des Dichtungsrings.
6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (46) zur Verhinderung einer Strömung ein Druckdamm (46) ist, der als integraler Bestandteil des Dichtungsrings gebildet ist und sich von diesem allgemein in radialer Richtung erstreckt.
7. Dichtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Druckdamm (46) in der Nähe der Niederdruckseite des Dichtungsrings angeordnet ist.
8. Dichtungsanordnung nach Anspruch 7_S dadurch gekennzeichnet , daß der Dichtungsring einen Spaltring umfaßt.
9. Dichtungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Radialdruckkraft auf dem Dichtungsring enthält.
10. Dichtungsanordnung nach Anspruch 9_S dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zur Erzeugung der Radialdruckkraft eine Umfangsnut (42) an der äußeren Fläche des Dichtungsrings und eine Durchlaßkanalvorrichtung (44) zur Verbindung der äußeren Umfangsnut (42) mit der Hochdruckseite des Dichtungsrings umfaßt.

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11. Dichtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Druckdaram (46) nahe der Hochdruckseite des Dichtungsrings (28) angeordnet ist und der Dichtungsring an seiner Hochdruckseite einen axialen vorstehenden Teil (58) besitzt, wodurch die Hochdruckluft eine radial nach außen gerichtete Kraft auf diesen vorstehenden Teil ausübt.
12. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Dichtungsring einen kompakten Ring (60) umfaßt j dieser kompakte Ring eine Umkreisnut (62) an ihrer äußeren Oberfläche enthält, und die Vorrichtung zur Verhinderung der Strömung einen Spaltring (64) umfaßt, der im Innern dieser Umkreisnut (62) des kompakten Rings (60) angeordnet ist.

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