DE2345306C3 - Sperrmitteldichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sperrmitteldichtung für die Durchführung einer Welle durch' eine Trennwand zwischen einem Hochdruckraum und einem Niederdruckraum, mit einer die Welle umgebenden Halterung, in der zwei in axialem Abstand, zwischen sich einen Strömungsweg für ein Sperrmittel freilassende Dichtringe schwimmend auf der Welle angeordnet sind, welche zusammen mit Innenwänden der Halterung eine Kammer für das von außen in diese eingeführte Sperrmittel begrenzen.

Bei bekannten Ausführungen einer Sperrmittel-Wellendichtung der genannten Art (z. B. DT-AS 19 10 805), wird ein Sperrmittel unter einem den in der Hochdruckgaskammer herrschenden um ein geringes Maß übersteigenden Druck der Sperrmittelkammer zugeführt, um den Übertritt des Hochdruckgases von der Hochdruck- zur Niederdruckgaskammer zu verhindern. Dabei tritt eine gewisse Menge des Sperrmittels von der Sperrmittelkammer in die Hochdruckgaskammer über, der größere Teil jedoch durch einen zwischen dem Dichtring an der Niederdruckseite und der Welle gebildeten dünnen Spalt hindurch zur Niederdruckgaskammer. Dabei wirkt das Sperrmittel gleichzeitig als Kühlmittel zum Abführen der durch die innere Reibung im Sperrmittel zwischen der sich drehenden Welle und dem Dichtring an der Niederdruckseite entstehenden Wärme. Da der Anteil des in die Hochdruckgaskammer übertretenden Sperrmittels dabei verlorengeht, ist also dieser Anteil möglichst gering zu halten. Aus diesem Grund wird der Druck in der Sperrmittelkammer zweckmäßig nur ein äußerst geringes Maß über dem in der Hochdruckgaskammer herrschenden gehalten.

Zu diesem Zweck wird der Druck des Sperrmittels in der Sperrmittelkammer bei bekannten Wellendichtungen in Abhängigkeit von Druckänderungen in der Hochdruckgaskammer variiert, so daß der Druckunterschied zwischen der Hochdruckgaskammer und der s Sperrmittelkammer im wesentlichen konstant auf einem für die Abdichtung ausreichenden Wert gehalten wird. Dadurch ändert sich jedoch auch die Menge des den Dichtring an der Niederdruckseite zur Niederdruckgaskammer hin durchströmenden Sperrmittels, und somit ίο auch die Kühlwirkung desselben gegenüber der zwischen dem Dichtring und der Welle erzeugten Reibungswärme. Wird also der Gasdruck in der Hochdruckgaskammer und damit auch der Druck des Sperrmittels sehr niedrig, so kann es vorkommen, daß die zwischen dem Dichtring an der Niederdruckseite und der sich drehenden Welle ausströmende Sperrmittelmenge nicht mehr für die Kühlung der relativ zueinander rotierenden Flächen ausreicht, so daß diese sich übermäßig erhitzen und möglicherweise verbrennen oder fressen.

Aus der US-PS 30 93 380 und der DT-OS 17 50 937 sind Sperrmittel-Wellendichtungen bekannt, bei denen jeweils versucht wurde, über eine Vergrößerung des Spaltes zwischen Welle und Dichtring in radialer Richtung Einfluß auf die Druckverhältnisse und auf die Kühlwirkung zu nehmen.

Auf diese Weise läßt sich jedoch nur eine sehr grobe und schlecht beherrschbare Einflußnahme auf die Kühlwirkung und damit die Wärmeabfuhr erzielen. Dies rührt daher, daß die bei Rotation einer Welle in einer Bohrung zur Überwindung des Scherwiderstandes des im Ringspalt zwischen Welle und Bohrung befindlichen Sperrmittels aufzubringende Arbeit umgekehrt proportional der Spaltdicke ist und die Durchflußmenge des Sperrmittel durch den Ringspalt zwischen Welle und Bohrung proportional der dritten Potenz der Spaltdicke ist. Eine Regelung des Sperrmitteldurchflusses mit Hilfe einer Beeinflussung der Spaltdicke des Ringspalts isi daher wegen der in der dritten Potenz eingehender Spaltdicke eine unerwünscht abrupte Durchflußregulierung, die einen äußerst genauen und spielfreier Einstellmechanismus erfordert. Dabei läßt sich infolge der umgekehrten Proportionalität der zur Überwindung des Scherwiderstands im Sperrmittel aufzubringender Arbeit zur Spaltdicke diese Arbeit auch bei einet beträchtlichen Vergrößerung der Spaltdicke nicht seht stark reduzieren. Insgesamt gesehen, ist eine solch« Regulierung der Wärmeabfuhr mittels des Sperrmittel; nur in relativ geringem Maße wirksam und nichi ausreichend feinfühlig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein« Sperrmitteldichtung der eingangs erläuterten Art zi schaffen, welche bei einfachem Aufbau und wirtschaft^ eher Herstellung eine feinfühlige und wirksam« Anpassung der Sperrmitteldichtung und der Wärmeab fuhr in Abhängigkeit von den zu beiden Seiten dei Dichtung herrschenden Druckverhältnissen zuläßt um im Betrieb zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst

do daß die Halterung axial zur Welle verschiebba ausgebildet ist und daß im Bereich des an de Niederdruckseite angeordneten Dichtringes mindesten eine rundumlaufende Vertiefung in der Dichtfläche de Dichtringes und/oder in der Umfangsfläche der WeIIi vorgesehen ist.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Sperr miueldichtung ist es möglich, die Spaltlänge de Dichtspalts zwischen Welle und an der Niederdrucksei

te angeordnetem Dichtring zu verändern und an die jeweils herrschenden Druckverhältnisrc anzupassen. Nachdem die zur Überwindung des Scherwiderstandes des im Ringspalt zwischen Weile und Dichtring befindlichen Sperrmittels aufzubringende Arbeit proportional der Länge des Ringspaltes und die Durchflußmenge des Sperrmittels durch den Ringspalt umgekehrt proportional zur Länge des Ringspaltes ist, läßt sich durch eine Veränderung der Ringspaltiänge eine sehr sanfte Änderung der Sperrmitteldurchflußmenge erreichen, wodurch die Möglichkeit einer sehr feinfühligen Regulierung der durch das Sperrmittel abzuführenden Wärme gewährleistet ist. Die Veränderung der Spaltlänge erfolgt durch Axialverschiebung der die Dichtringe nähernden Halterung im Zusammenwirken mit mindestens einer rundumlaufenden Vertiefung in der Dichtfläche des Dichtrings und/oder in der Umfangsfläche der Welle. Durch die Längsverschiebung der Halterung wird die wirksame Spaltlänge, d. h. die Länge des Ringspalts mit einer für eine Abdichtung ausreichend geringen Spaltdicke, verlängert oder verkürzt. Im Bereich der Vertiefungen in der Dichtfläche des Dichtrings und/oder in der Umfangsfläche der Welle ist der Abstand zwischen Welle und Dichtring so groß, daß dort kein wirksamer Spalt gebildet ist. Die Verschiebung der Halterung kann mit einfachen Mitteln, beispielsweise mit mechanischen oder pneumatischen Mitteln, bewerkstelligt werden. Sie kann aber selbsttätig unter Ausnutzung des auf die Halterung einwirkenden Drucks auf der Hochdruckseite der Dichtung und des auf die Halterung wirkenden Drucks auf der Niederdruckseite der Dichtung bewerkstelligt werden. Insgesamt gesehen, ergibt sich ein einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen Sperrmitteldichtung und eine sehr feinfühlige Regulierung der Wärmeabfuhr der in der Dichtung entstehenden Wärme mittels des Sperrmittels in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen und eine zuverlässige und störungsfreie Arbeitsweise.

Mit Vorteil ist die Sperrmitteldichtung gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß als Vertiefung in dem Dichtring mindestens eine Ringnut vorgesehen ist. Damit bei einer solchen Ausgestaltung eine Veränderung der Spaltlänge durch axiale Verschiebung des Dichtrings relativ zur Welle möglich ist, ist es günstig, wenn in der Welle eine der Ringnut im Dichtring im wesentlichen gegenüberliegende Ringnut vorgesehen ist. Durch Relativverschiebung von Dichtring und Welle läßt sich dann der Bereich geringsten Abstandes zwischen Dichtring und Welle, d. h. die wirksame Spaltlänge, stufenlos variieren. Es ist möglich, sowohl im Dichtring als auch in der Welle mehrere Ringnuten nebeneinander anzuordnen. Auf diese Weise läßt sich mit geringem Verschiebeweg zwischen Dichtring und Welle ein Vielfaches an wirksamer Spaltlängenveränderung erzielen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sperrmitteldichtung ist auch dadurch gegeben, daß die Welle als Vertiefung an Stelle einer Ringnut einen Bereich mit gegenüber der übrigen Welle unterschiedlichem Durchmesser aufweist. Bei dieser Ausgestaltung ist es nicht erforderlich, im Dichtring selbst Vertiefungen vorzusehen. Durch einfaches axiales Verschieben des Dichtrings relativ zur Welle in der Weise, daß der Dichtring mehr oder weniger weit in den vertieften Bereich der Welle hineingeschoben wird, kann der Bereich geringsten Abstands zwischen Dichtring und Welle, d. h. wiederum die wirksame Snaltlänee. ebenfalls stufenlos variiert werden.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht einer bekannten Sperrmittel-Wellendichtung,

F i g. 2 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Sperrmitteldichtung gemäß der Erfindung,

Fig.3 bis 5 vergrößerte Teil-Schnittansichten von

ίο Einrichtungen zum axialen Verschieben einer Dichtringhalterung in der Sperrmitteldichtung gemäß F i g. 2 und Fig. 6 bis 10 schematisierte Teilansichten zur Darstellung der Wirkungsweise von weiteren Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Sperrmitteldichtungen.

Bei Anwendung der Symbole η für die Viskosität des Sperrmittels, / für die wirksame Spaltlänge (wirksame Länge des oder der Ringspalte zwischen sich gegenüberliegenden Flächen des Dichtrings 3 an der Niederdruckseite und der sich drehenden Welle 7 in Axialrichtung derselben), t/für den Wellendurchmesser, W für die Winkelgeschwindigkeit der Welle, P für den Druckunterschied zwischen dem Sperrmittel in der Sperrmittelkammer und dem Druck in der Niederdruck-

2<i gaskammer, N für die im Ringspalt zwischen den Flächen des Dichtrings an der Niederdruckseite und der Welle entstehende Wärmemenge, die der zur Überwindung des Scherwiderstandes (innere Reibung) des Sperrmittels im Ringspalt aufzubringenden Arbeit

yo entspricht, Q für die Menge des zwischen dem Dichtring 3 an der Niederdruckseite und der sich drehenden Welle von der Sperrmittelkammer 5 in die Niederdruckgaskammer 6 übertretenden Sperrmittels und At für den dabei eintretenden Temperaturanstieg im Sperrmittel ergeben sich die folgenden Beziehungen:

Ii

N (I ■ ι,Ϋ

Aus der Beziehung (3) ist zu erkennen, daß Δι mil

so abnehmendem Gasdruck zunimmt.

Bei der erfindungsgemäßen Dichtung läßt sich Δ jedoch konstant halten, indem man / in Abhängigkeil von der Verringerung von ^verkleinert und dadurch die Abnahme von Q verhindert, um damit N niedrig zi halten.

Fig.2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Sperrmittel-Wellendichtung gemäß der Erfindung. Di< gezeigte Anordnung ermöglicht einen sicheren Betriet in einem weiten Bereich von Betriebsdrücken voi

do höchsten Drücken bis zu atmosphärischem Druck Dadurch wird beispielsweise ein bisher als undurch führbar angesehener Betrieb eines Gaskompressors be atmosphärischem Druck unter den gleichen Bedingun gen möglich wie der normale Hochdruckbett icL>. Di'

Betriebsbedingungen brauchen daher nicht in Abhän gigkeit von den Betriebsdrücken geändert zu werden.

Vor der Beschreibung der erfindungsgemäßen WeI lcndichlung an Hand von Fig. 2 sei zunächst ein

bekannte Ausführung zum besseren Verständnis des Unterschiedes zwischen dieser und der Erfindung an Hand von Fig. I beschrieben. In dieser Ausführung wird ein Sperrmittel unter einem den in einer Hochdruckgaskamnier 4 herrschenden um ein geringes Maß übersteigenden Druck einer Sperrmittelkammcr 5 zugeführt, um den Übertritt von Druckgas aus der Hochdruckgaskammer 4 in eine Niederdruckgaskammer 6 zu verhindern. Eine gewisse Menge des Sperrmittel strömt aus der Kammer 5 in die Kammer 4. Der größere Anteil des Sperrmittel strömt jedoch zwischen einem Dichtring 3 an der Niedcrdruckscitc und der Welle 7 hindurch in die Niederdruckgaskammer 6. Da der Zusammentritt des Sperrmittels mit dem Hochdruckgas möglichst vermieden werden soll, muß der zur Hochdruckseite strömende Anteil des Sperrmittel abgeführt werden, was zu beträchtlichen Verlusten führt. Daraus ergeben sich bei der bekannten Anordnung die eingangs erwähnten Nachteile.

Im Unterschied zu der bekannten Anordnung hat die in F i g. 2 gezeigte Sperrmittel-Wellendichtung zusätzlich eine Dichlringhalterung ti wenigstens für den Dichtring 3 an der Niederdruckseite. In den einander gegenüberliegenden Flächen des Dichtrings 3 an der Niederdruckseite und der Welle 7 ist jeweils wenigstens eine Ringnut gebildet. Durch Verschieben der Dichtringhaiterung 8 in Axialrichtung der Welle 7 läßt sich so die jeweils wirksame Länge der Ringspalte zwischen den Flächen variieren.

F i g. 6 zeigt den Zustand, in welchem die Ringspalte zwischen den Flächen ihre größte wirksame Länge /i haben, während der Dichtring 3 in Fig. 7 derart verschoben ist, daß sich die wirksame Länge von /ι auf Ii verringert hat.

In Fi g. 8 und 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sperrmitteldichtung gezeigt, sowie die damit erzielbare Änderung der wirksamen Spaltlänge zwischen /ι und /2.

Die Verkürzung der wirksamen Länge der Flächen von /1 auf /2 ist durch Ausbildung von jeweils wenigstens einer Ringnut 12,13 im Dichtring 3 bzw. in der Welle 7 oder durch eine Querschnittsabnahme der Welle 7 erzielbar ( Fig. 7 bzw. 10). Die in F ig. 6 und 7 gezeigte Ausführung mit mehreren Ringnuten um die Welle herum und im Dichtring 3 ist insofern zweckmäßiger, als dadurch nur geringe Axialverschiebungen des Dichtrings zum Verkürzen der wirksamen Flächen erforderlich sind.

Für das axiale Verschieben des Dichtrings 3 an der

s Niederdruckseile der Dichtung können verschiedenartige Einrichtungen vorhanden sein. Fig.3 zeigt eine Anordnung, in welcher zum Verschieben der Dichtringhalterung 8 eine in ein Gehäuse 1 der Dichtung eingedrehte Schraube 9 vorgesehen ist. Die Dichtringhalterung 8 ist also im Gehäuse 1 verschieblich geführt und diesem gegenüber mit einer Rundringdichtung 15 hermetisch abgedichtet. Beim Zurückdrehen der Schraube kehrt die an der anderen Seite von dem in der Hochdruckgaskammer 4 beaufschlagten Dichtringhalterung 8 in ihre Endstellung zurück.

In F ig.4 ist an Stelle der in Fig. 3 gezeigten Schraube 9 ein druckölgespeister Zylinder 10 zum Verschieben der Dichtringhalterung dargestellt.

F i g . 5 zeigt eine weitere Ausführung, in welcher an Stelle der in F i g. 3 gezeigten Schraube 9 eine Feder 11 Verwendung findet. Die Spannung der Feder 11 kann so ausgelegt sein, daß sie im Niederdruck-Betriebszustand, also bei Abnahme des die Dichtringhalterung 8 in Richtung auf die Niederdruckgaskammer 6 belastenden Drucks, diesen überwindet und die Dichtringhalterung in Richtung auf die Hochdruckgaskammer 4 verschiebt. Dadurch verringert sich dann die Länge des wirksamen Ringspaltes zwischen dem Dichtring 3 an der Niederdruckseite und der sich drehenden Welle 7 und damit der sonst durch den Druckabfall bewirkte Sperrmittelverlust zur Hochdruckseite hin ohne Beeinträchtigung der Kühlwirkung. Auf diese Weise läßt sich also der Temperaturanstieg über einen weiten Betriebsbereich innerhalb angemessener Grenzen halten. Bei einem Anstieg des Drucks des Hochdruckgases überwindet die Belastung der Dichlringhalterung 8 in Richtung auf die Niederdruckgaskammer 6 die Spannung der Feder 11. so daß also die Dichtringhalterung 8 in ihre Endlage zurückkehrt, wodurch die wirksame Länge der Ring-

spalte zwischen den Gleitflächen sich wieder vergrößert, um den Austritt des Sperrmittels zu drosseln. Mit der in der Ausführung nach F i g. 5 gezeigten Feder 11 ist also eine selbsttätige Verschiebung des Dichtrings 3 an der Unterdruckseite der Dichtung möglich.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Sperrmitteldichtung für die Durchführung einer Welle durch eine Trennwand zwischen einem Hochdruckraum und einem Niederdruckraum, mit einer die Welle umgebenden Halterung, in der zwei in axialem Abstand, zwischen sich einen Strömungsweg für ein Sperrmittel freilassende Dichtringe schwimmend auf der Welle angeordnet sind, weiche zusammen mit Innenwänden der Halterung eine Kammer für das von außen in diese eingeführte Sperrmittel begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterui.g (8) axial zur Welle verschiebbar ausgebildet ist und daß im Bereich des .an der Niederdruckseite angeordneten Dichtringes 3) mindestens eine rundumlaufende Vertiefung {12 bzw. 13) in der Dichtfläche des Dichtringes (3) und/oder in der Umfangsfläche der Welle vorgesehen ist.

2. Sperrmitteldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vertiefung in dem Dichtring (3) mindestens eine Ringnut (12) vorgesehen ist.

3. Sperrmitteldichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Vertiefung in der Welle (7) mindestens eine Ringnut (13) vorgesehen ist.

4. Sperrmitteldichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (7) als Vertiefung an Stelle einer Ringnut einen Bereich mit gegenüber der übrigen Welle unterschiedlichem Durchmesser aufweist.