DE2153560C3

DE2153560C3 - Sperrflüssigkeitsdichtung

Info

Publication number: DE2153560C3
Application number: DE2153560A
Authority: DE
Inventors: Gerald Greendale Wis. Lesiecki (V.St.A.)
Original assignee: Allis Chalmers Corp
Current assignee: A-C Compressor Corp (eine Ges Ndgesetzen Dsta
Priority date: 1970-10-27
Filing date: 1971-10-27
Publication date: 1974-12-12
Also published as: GB1298548A; DE2153560A1; CH549742A; US3724861A; CA950936A; JPS5035984B1; DE2153560B2

Description

dichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß bei allen Betriebszuständen, d. I). auch im Stillstand, eine einwandfreie Abdichtung gewährleistet werden kann und überdies der Energieverbrauch dieser Dichtung relativ gering ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen der Ziiführbohrung für die Sperrflüssigkeit und dem hochdruckseitigen Teilspalt eine ringförmige, den Sperrflüssigkeitsdruck durch Fliehkraftwirkung erhöhende Pumpkammer vorgesehen ist und daß der konstante Druck der zugeführten Sperrflüssigkeit geringfügig höher als der Druck im Hocndruckbereich ist.

Die Anordnung einer Pumpkammer vor dem hochdruckseitigen Teildichtungsspalt und die spezielle Wahl des Druckes der zugeführten Sperrflüssigkeit ermöglichen es auf einfache Weise, jegliches Eindringen des Arbeitsmediums in die Dichtung bei allen Betriebszuständen zu verhindern und gleichzeitig ein Austreten von Sperrflüssigkeit an der Hochdriickseite praktisch auszuschließen. Vorteilhaft ist ferner, daß diese Sperrflüssigkeitsdichturg aus relativ wenigen Teilen hergestellt und damit äußerst wirtschaftlich produziert werden kann. Sie ist überdies in axialer Richtung komprimiert auszubilden, so daß sich eine beim Einbau häufig erforderliche Platzeinsparung ohne Schwierigkeiten erzielen läßt. Es hat sich überdies gezeigt, daß der Energieverbrauch dieser Flüssigkeitssperrdichtung wesentlich niedriger als der entsprechender bekannter Dichtungen ist.

Vorzugsweise liegt der hochdruckseitige, sich an die Pumpkammer anschließende Teilspalt radial außerhalb des niederdruckseitigen Teilspaltes.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß sich die Pumpkammer axial zur Welle erstreckt und ein axiales Ende der kammer im Schnitt eine halbkugelförmige Gestalt aufweist. Auf diese Weise kann die Pumpwirkung der Kam.ner optimal dimensioniert werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben, wobei in der einzigen Figur der Zeichnung eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Sperrflüssigkeitsdichtung dargestellt ist.

In einem Maschinengshäuse*» ist in einer entsprechenden Bohrung eine drehbare Welle 7 angeordnet. Im folgenden wird angenommen, daß die linke Seite des Maschinengehätises einen Teil eines Raumes begrenzt, in dem sich abzudichtendes, unter Druck stehendes Gas befindet Ein hülsenförmiges Element bzw. Flügelrad 8 ist mit der Welle 7 starr verbunden. Dazu weist die Welle 7 einen mit Gewinde versehenen Abschnitt 9 auf, auf den dieses Flügelrad 8 aufgeschraubt ist. Zwischen der Welle und dem Flügelrad 8 ist ein O-Ring 11 vorgesehen, um eine Dichtung zu gewährleisten. Zur axialen Festlegung des Flügelrades 8 ist an der Welle eine Schulter 12 vorgesehen.

Das Flügelrad 8 ist von einer abgestuft ausgebildeten Doppelbuchse 13 umgeben, und der Abstand zwischen diesen beiden Teilen liegt in einer Größenordnung, wie sie üblicherweise bei Lagerungen von Wellenzapfen benützt wird. Diese Buchse 13 kann — wie dargestellt — als separates Element ausgebildet sein, so daß es praktisch schwimmend angeordnet ist. Ein Endabschnitt der abgestuften Buchse 13 ist in Berührung mit einer Stirnwand 14 eines äußeren Dichtungsgehäuses, wodurch eine Sekundärdichtung bezüglich der Atmosphäre hergestellt wird. Das Flügelrad 8 und die abgestufte Buchse 13 legen ringförmige, enge Teildichtungsspalte fest, die bezüglich der Atmosphäre bzw. bezüglich des unter Druck stehenden Gases offen sind.

Im Maschinengehäuse 6 ist eine Zuführbohrung 17 für die Sperrflüssigkeit vorgesehen. Diese Bohrung 17 steht in Verbindung mit einem Durchgang IS in der Buchse 13. Dieser Durchgang 18 steht wiederum

ίο in Verbindung mit einer ringförmigen Einlaßkammer 19, die sich um das Flügelrad 8 erstreckt und durch die Buchse 13 festgelegt wird. Von der Einlaßkammer 19 aus erstreckt sich zur Niederdruckseite hin ein Teildichtungsspalt 16.

Ein ringförmiger Ansatz 21 an der Innenfläche der abgestuften Buchse 13 bildet einerseits eine Wand der Einlaßkammer 19 und andererseits eine Wand einer Pumpkammer 22. Diese Pumpkammer 22 ist durch den erwähnten Ansatz 21, die abgestufte Buchse 13 und durch eine Schulter 23 am Flügelrad 8 festgelegt. Die innere .-.ngförmige Kante des Ansatzes 21 definiert eine DurcUaßöffnung 24, die die Einlaßkammer 19 mit der Pumpkairmer 22 verbindet. Da dieser Durchgang 24 in axialer Richtung

a5 wesentlich kürzer ausgebildet ist als die Teildichtungsspalte 16 oder 26, tritt an dieser Stelle weniger Widerstand gegen die Sperrflüssigkeitsströmung als in den erwähnten Teildichtungsspalten auf.

Der Tcildichtungsspalt 26 befindet sich auf einem

3" größeren Radius als der Durchgang 24 und der Tcildichtungsspalt 16. Der Teildichtungsspalt 26 steht in Verbindung mit der Pumpkammer 22 und auf der gegenüberliegenden Seite mit einem radialen Durchgang 27. Dieser Teildichtungsspalt begrenzt die Lekkage von Sperrflüssigkeit zum Arbeitsgas während statischer Bedingungen oder in einem Drehbereich unterhalb der Nenndrehzahl. Der radiale Durchgang 27 wird durch ein Ende des Flügelrades § und einen Teil des Stators 41 festgelegt.

4<= Der radiale Durchgang 27 weist einen oder mehrere in Radialrichtung einen gegenseitigen Abstand aufweisende und sich im wesentlichen axial erstrekkende Finger 28 auf, die zum Flügelrad 8 gehören. Komplementär geformte Finger 29 sind am Stator 41 vorgesehen. Diese ineinander geschobenen Finger 28 und 29 legen eine ringförmige Wirbelkammer 30 fest. Es ist zwar nur eine einzige derartige Wirbelkammer 30 im Ausführungsbeispiel gezeigt, aber es können ohne weiteres mehrere derartige Kammern in Abhängigkeit von den jeweiligen Ansvendungsfällen vorgesehen werden.

Das radial äußere Ende des Durchgangs 27 wird von einer Ringkamrner 31 gebildet, an die sich unmittelbar der Teildichtungsspalf 26 anschließt. Das radial innere Ende des Durchgangs 27 grenzt an eine Dichtung zwischen Welle 7 und Stator 41 an, die als Labyrinthdichtung ausgebildet ist.

Es ist des weiteren eine Pumpe 33 vorgesehen, die die Sperrflüssigkeit mit einem bestimmten Druck

über ein Absperrventil 51 der Zuführbchrung 17 zuführt. Zu Kühlzwecken dienende Leitungen 34 und 35 verbinden die Zuführbohrung 17 mit einer Auslaßöffnung 36. Diese Auslaßöffnung 36 steht in Verbindung mit einem Vorratsbehälter 37, und zwar

über ein Diffcrentialdruck-Steucrventil 38. Der Vorratsbehälter 37 ist über eine Leitung 42 mit dem Arbeitsdruck beaufschlagt. Ferner kann eine Einrichtung in Form einer Differentialdruck-Stciierung 39

vorgesehen sein, um einen genügenden Flüssigkeitspegel in dem Vorratsbehälter 37 zu gewährleisten.

Im folgenden wird die Funktionsweise der beschriebenen Sperrflüssigkeitsdichtung erläutert.

Wenn das unter Druck stehende Arbeitsgas gegen die Atmosphäre abgedichtet werden soll, muli der Druck der in die Kammer 19 eintretenden Sperrflüssigkeit größer sein als der Gasdruck. Wird der Sperrflüssigkeitsdruck wesentlich größer als der Gasdruck gewählt, so gelangt eine unerwünscht große Menge dieser Sperrflüssigkeit in den das Arbeitsgas enthaltenden Raum und wird dort verschmutzt. Wählt man die Druckdifferenz zwischen der Sperrflüssigkeit und dem Arbeitsgas relativ gering, so wird in den Spaltdichtungen Gas mitgerissen und gelangt in die Sperrflüssigkeit und damit auch an die Atmosphäre.

Bei der Sperrflüssigkeitsdichtung nach der Erfindung liegt der konstante Druck der zugeführten Sperrflüssigkeit geringfügig höher als der Druck im Hochdruckbereich, so daß im Stillstand der Maschine bzw. bei einem Betrieb mit relativ niedriger Drehzahl die angestrebte Abdichtung durch diese Druckdifferenz gewährleistet werden kann. Der Druck in der Zuführbohrung 17 liegt beispielsweise etwa 0,14 kg/cm² über dem Druck des Arbeitsgases.

Nun strömt aber die Sperrflüssigkeit zu der Pumpkammer 22, in der ihr auf Grund des Zentrifugaleffektes ein höherer Druck verliehen wird, der etwa 0,7 kg/cm² über dem Gasdruck während des Normalbetriebes liegt. Bedingt durch die Wirkung der Pumpkammer 22 ist der mittlere Druck in dem Teildichtungsspak 26 ebenfalls etwa 0.7 kg. cm- höher als der Gasdruck, und dieser Druck zwingt die Sperrflüssigkeit in die Kammern 31 und 30 des sich hochdruckseitig an den Tcildichtungsspalt 26 anschließendcn Durchganges 27. Da somit in den Tcildichtungsspalt 26 kein Gas eintreten kann, ist es auch nicht möglich, daß in diesem Teildichtungsspalt ein Mitreißen von Arbeitsgas erfolgt.

Die in der Kammer 31 auf Grund der Zentrifugalkraft auftretende Druckerhöhung wirkt dein Voiwärtsdruck der Pumpkammer 22 entgegen. Auf Grund dieses Zusammcnspiels der entstehenden Drücke tritt die Grenzfläche zwischen Gas und Sperrflüssigkeit in der Kammer 30 auf, und es sickert während des Normalbetriebs praktisch keinerlei Sperrflüssigkeit zum Arbeitsgas durch, da der effektive Differenzdruck in dem Teildichtungsspalt 26 gleich Null ist. Da weiterhin der Druck der Sperrflüssigkeit im Teildichtungsspalt 26 sich auf einem beispielsweisc etwa um 0,7 kg/cm² über dem Gasdruck liegenden Druck befindet, ist auf der gesamten Länge des Teildichtungsspaltes der Druck immer grüßer al; der Gasdruck, und es kann daher keine Mitnahmt von Gas in der Sperrflüssigkeit erfolgen.

Wenn die Maschine abgebremst wird, nimmt dei Druck am pumpkammerseitigen Ende des Teildich tungsspaftes 26 ab. Kommt die Maschine vollständij zum Stillstand, liegt der Sperrflüssigkeitsdruck nui etwa um 0,14 kg/cm² über dem Gasdruck. Die:

reicht jedoch aus, um auch im Stillstand eine ein wandfreie Abdichtung zu gewährleisten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

gen Dichtung auch im stationären Fall die Dichtei- Patcntansprüche: genscluiften erhalten bleiben, Die Sperrflüssigkeitsdicluung besitzt zwar nicht die

1. Sperrflüssigkeitsdichtung zum Abdichten der Nachteile der mechanischen Dichtung hinsichtlich zwischen einem Hochdruckbereich und einem 5 des Verschleißes, aber sie ist nur wirksam während Niederdruckbercich liegenden Durchführung einer Zuführung von Dichtungsmittel. Des weiteren einer Welle mit einer Zuführbohrung für unter ist ungünstig, daß bei einer derartigen Dichtung ein konstantem Druck stehende Sperrflüssigkeit so- hoher Verlust an Dichtungsfluid auftritt, wenn die wie sich beiderseits dieser Zuführbohrung er- Spielräume zwischen den feststehenden Tcile-v und streckenden Teildichtungsspalten und einer sich io den sich drehenden Teilen nicht extrem niedrig gehochdruckseitig an einen Teilspalt anschließen- halten werden können und/oder der Druck des Dichden Fliehkraftdichtung, dadurch gekenn- tungsfluids nur geringfügig über dem des Arbeitsgaleichnet, daß zwischen der Zuführbohrung ses liegt. Des weiteren ist eine Sperrflüssigkeitsdich-(18) für die Sperrflüssigkeit und dem hochdruck- tung sehr empfindlich gegenüber plötzlichen Tempeseitigen Tei'spalt (26) eine ringförmige, den 15 raturänderungen, die häufig zu einem Ausfall und/ Sperrflüssigkeitsdruck durch Fliehkraftwirkung oder zu einer Mitnahme des Arbeitsgases in die erhöhende Pumpkammer (22) vorgesehen ist und Dichtungsflüssigkeit führen kann.

daß der konstante Druck der zugeführten Sperr- Bei einer Sperrflüssigkeitsdichtung vom Pvimptyp

flüssigkeit geringfügig höher als der Druck im wird die Dichtungsflüssigkeit immer auf einem we-

Hochdruckbereich ist. ao sentlich über dem Arbeitsgasdruck liegenden Druck

2. Sperrflüssigkeitsdichtung nach Anspruch 1, gehalten, um eine Mitnahme von Arbeitsgas in die dadurch gekennzeichnet, daß der hochdrucksei- Dichtungsflüssigkeit zu verhindern. Es kann dabei tige, sich an die Pumpkammer (22) anschließende erreicht werden, daß bei einem geringen Verlust an Teilspalt (26) radial außerhalb des niederdruck- Dichtungsfluid eine optimale Abdichtung erreicht seitigen Teilspalts (16) liegt. »5 wird, allerdings nur dann, wenn die Nenndrehzahl

3. Sperrflüssigkeitsdichtung nach Anspruch 1 vorliegt. Erhebliche Schwierigkeiten treten jedoch im oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stillstand und bei erheblicher Abweichung der Dreh-Pumpkammer (22) axial zur Welle (7) erstreckt zahl von der Nenndrehzahl auf, da dann ein beachtli- und ein axiales Ende (23) der Kammer (22) im eher Verlust an Dichtungsflüssigkeit in Kauf genom-Schnitt eine halLkugelförmige Gestalt aufweist. 30 men werden muß.

Eine Sperrflüssigkeitsdichtung der eingangs genannten Art ist aus der USA.-Patentschrift"3 127 181

bekannt. Bei dieser bekannten Sperrflüssigkeitsdichtung wird die Sperrflüssigkeit niederdruckseitig zwi-35 sehen zwei Teildichtungsspalten zugeführt, und an das hochdruckseitige tinde des einen Teildichtungs-

Die Erfindung betrifft eine Sperrflüssigkeitsdich- spaltes schließt sich eine Fliehkraftdichtung an, lung zum Abdichten der zwischen einem Hochdruck- welche labyrinthartig ausgebildet 1st. Diese Fliehbereich und einem Niederdruckbereich liegenden kraftdichtung steht mit der Hochdruckseite über Durchführung einer Welle mit einer Zuführbohrung 40 einen achsnahen Spalt in Verbindung, und die vom für unter konstantem Druck stehende Sperrflüssigkeit hochdruckseitigcn Teilspalt kommende Sperrflüssigiowie sich beiderseits dieser Zuführbohrung erstrek- kelt wird dieser Fliehkraftdichtung über eine Ringkenden Teildichtungsspalten und einer sich hoch- kammer, in der Mittel zur Verhinderung des Auftredruckseitig an einen Teilspalt anschließenden Flieh- tens einer Pumpwirkung vorgesehen sind, in ihrem kraftdichtung. ₄₅ radial äußeren Bereich zugeführt. Die Sperrflüssig-

Die Problematik, eine einwandfreie Dichtung zwi- keii ist bei dieser Dichtung mit einem Druck beaufschen einer sich drehenden Welle und einem ütatio- schlagt, der sicherstellen soll, daß auch im Stillstand nären Gehäuse zu erreichen, wird mit Erhöhung der der Vorrichtung von der Hochdruckseite her kein Temperaturen und Drücke der flüssigen und gasför- Eindringen des abzudichtenden Mediums erfolgen migen Arbeitsmittel immer größer. Eine besonders 50 kann.

schwierige Situation ergibt sich beispielsweise, wenn Diese bekannte Sperrflüssigkeitsdichtung arbeitet

es erforderlich ist, in diesen Fällen eine einwandfreie zufriedenstellend bei Nenndrehzahl, da bei Nenn-Dichtung für ätzendes oder explosives Gas vorzuse- drehzahl sichergestellt werden kann, daß sich im Behen. Da es in diesen Fällen erforderlich ist, eine reich der am Ende des hochdruckseitigen Teilspaltes praktisch vollständige Abdichtung zu gewährleisten, 55 vorgesehenen Fliehkraftdichtung ein Druck aufbaut, werden Flüssigkeitsdichtungen häufig benutzt. der ein Nachströmen der Sperrflüssigkeit in Richtung

Im wesentlichen finden drei Arten von Dichtungen der Hochdruckseite einerseits und ein Eindringen des Verwendung, nämlich die mechanischen Dichtungen, abzudichtenden Mediums von der Hochdruckseite die Sperrflüssigkeitsdichtungen und die Sperrflüssig- her verhindert. Dieses angestrebte Gleichgewicht der keitsdichtungen vom Pumptyp. Jede dieser drei ver- 60 Drücke kann jedoch in der erwähnten Weise nur bei schiedenen Dichtungsarten weist jedoch spezielle Nenndrehzahl erreicht werden. Im Stillstand oder bei Nachteile auf. Der offensichtliche Nachteil der me- Abweichen der Drehzahl von der Nenndrehzahl läßt chanischen Dichtung resultiert aus dem direkten sich jedoch bei dieser bekannten Konstruktion nicht Kontakt zwischen den sich drehenden und stationä- vermeiden, daß ein erheblicher Verlust an Sperrflüsren Abschnitten der Dichtung, was zu einer Abnut- 65 sigkeit auftritt, da keine Möglichkeit besteht, ein zung dieser Bereiche und häufig zu einem Ausfall der Strömen dieser Sperrflüssigkeit in Richtung der Dichtung führt. Dieser Nachteil überwiegt eindeutig Hochdruckseite zu verhindern,
den Vorteil, der darin besteht, daß bei einer derarti- Aufgabe der Erfindung ist es, die Sperrflüssigkeits-