DE2444544C2 - Gasgesperrte Wellendichtung - Google Patents

Description

Gasgesperrte Wellendichtung mit radialem ebenen Dichtspalt, der von einem mit einer Welle umlaufenden Dichtring und einem nichtumlaufenden, über ein allseitig nachgiebiges, zugleich dichtendes Element angepreßten Dichtring gebildet wird, wobei Sperrgas durch mit Drosseln versehene Zuführbohrungen sichelförmigen Rillen in der die eine Spaltseite bildenden Fläche des nichtumlaufenden Dichtringes zugeführt wird.

Bei derartigen Wellendichtungen mit einein aus der CH-PS 3 38 336 hervorgehenden Aufbau besteht eine wesentliche Voraussetzung für eine zufriedenstellende Funktion darin, daß der nichtumlaufende Dichtring in allen Richtungen gegenüber dem umlaufenden Dichtring und auch dem feststehenden Teil bzw. dem Gehäuse nachgiebig gehalten ist. Es ist bei derartigen Wellendichtungen bekannt, den nichtumlaufenden Ring durch eine oder mehrere verformbare Dichtwände nachgiebig mit dem feststehenden Teil bzw. dem Gehäuse zu verbinden. Ferner ist bekannt, die Zuführungsleitungen bzw. Bohrungen für das Sperrgas in sichelförmige Rillen bzw. Vertiefungen münden zu lassen, um eine gleichmäßige Verteilung des Dichtmediums in dem Dichtspalt zwischen dem umlaufenden und dem nichtumlaufenden Ring zu erzielen. Die Axialkraft wird bei dieser Wellendichtung vorwiegend durch statische Gaskräfte erzeugt wie in einem aerostatischen Gaslager.

Bei einer aerostatischen Dichtung sind jedoch die Stabilisierungskräfte zur Erzeugung eines gleichmäßigen Abstandes im Dichtspalt, die von dem Verhältnis AFIAh abhängig sind, bei konstantem Sperrgasvordruck und kleinem Dichtspalt gering, so daß es bei Schrägstellung des nichtumlaufenden Dichtringes zum Anlauf am umlaufenden Dichtring kommen kann.

Ein großer Dichtspalt h kann jedoch nicht ständig aufrechterhalten werden, da dieser bei großem Sperrgasvordruck und großer Anpreßkraft zu große Sperrgasleckagen bewirkt und bei kleinem Sperrgasvordruck und kleiner Anpreßkraft Fzu Instabilitäten neigt

In F i g. 1 der Zeichnung der Unterlagen der Erfindung ist die Axialkraft F in einer solchen aerostatischen Dichtung als Funktion der Dichtspaltweite /(dargestellt

Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese bekannten Wellendichtungen zu verbessern. Es soll eine Wellendichtung geschaffen werden, mit der ein Verfahrensgas gegenüber einem an der Dichtung anliegenden Außenraum hermetisch durch eine dazwischen angeordnete, bei jeder Drehzahl klären Trennzone abgedichtet wird, wobei der Dichtspalt extrem eng sein soll und die Dichtringe eine stabilisierte Lage zueinander einnehmen müssen. Es muß gewährleistet sein, daß das Verfahrensgas keine Berührung und insbesondere keine Verunreinigungen durch Mischung mit dem an der Dichtung vom Außepraum her anliegenden Medium, beispielsweise atmosphärische Luft, erleiden kann, und es muß wegen dieser Anforderungen eine leckfreie Abdichtung erreicht werden.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Wellendichtung zur Abdichtung eines Verfahrensgases dadurch gelöst, daß im äußeren und/oder inneren Randbereich beidseitig der in der mittleren Zone angeordneten sichelförmigen Rillen des nichtumlaufenden Dichtrings entweder in der Spaltseite des nichtumlaufenden Dichtrings oder in der Spaltseite des umlaufenden Dichtrings nutenartige spiralförmig gekrümmte Vertiefungen angebracht sind, die sich derart von außen nach innen in Richtung auf die sichelförmigen Rillen verlaufend erstrecken, daß sich für die anstehenden Medien ein Förderstrom in Richtung zur mittleren Zone hin ausbildet Die nutenartigen Vertiefungen können zwischen 0,001 und 0,5 mm tief sein.

Die nutenartigen, in Drehrichtung betrachtet sich von

außen nach innen in Richtung auf die sichelförmigen

Rillen, spiralförmig gekrümmten Vertiefungen, wirken

ähnlich wie in einem aerodynamischen Gaslager, bei dem die Stabilisierungskräfte zur Erzeugung eines gleichmäßigen Abstands im Dichtspalt, wiederum gekennzeichnet durch das Verhältnis AFIAh, mit kleiner werdendem Dichtspalt stark ansteigen. Diese Kräfte werden jedoch erst mit höheren Drehzahlen wirksam.

In Fig.2 der Zeichnung ist die Axialkraft Fin einer solchen aerodynamischen Dichtung als Funktion der Dichtspaltweite für verschiedene Drehzahlen N dargestellt. Sobald diese Kräfte wirksam werden, kann außerdem zur Erzielung eines kleinstmöglichen Verbrauchs von Sperrgas dessen Zufuhr in die Taschen durch Verringerung des Dichtmittelvordrucks vermindert werden. Im Grenzfall kann die Dichtmittelzufuhr durch die Drosseln ganz geschlossen sein, wobei jedoch unter Wegfall des sauberen Sperrgases in der mittleren Zone die einwandfreie Trennung der innen und außen an der Dichtung anliegenden Gase nicht gewährleistet ist, jedoch die Notlaufeigenschaften der nutenartigen, spiralförmig gekrümmten Vertiefungen von Vorteil sind.

Bei Stillstand der Welle und niedrigen Drehzahlen tritt ein größerer Spalt durch Wirksamkeit des aerostatischen Taschenlagers ein, bei gleichzeitig sicherer Abdichtung am ganzen Umfang. Bei voller Drehzahl ist diese volle Wirksamkeit des aerodynamischen Teiles der Dichtung bezüglich der hohen Tragfähigkeit bei in der mittleren Zone zugeführter kleinstmöglicher Sperrgasmenge gegeben, welche dann

hauptsächlich zum Erhalt der sicheren Dichtfunktion dient

Bei einer bekannten Wellendichtung nach der CH-PS 3 73 233 wird ein Gas unter Druck durch ein Sperröl abgedichtet, wobei die Abdichtung mittels ölgefüllter spiralförmig verlaufender Nuten erzielt wird. Mit dieser bekannten Dichtung sind jedoch die vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Ausbildung nicht erreichbar, nämlich ein extrem enger Dichtspalt und eine hermetische Dichtwirkung, weil ihr andere Funktions- und Gestaltungsmerkmale zugrunde liegen. Die an der Gasdruckseite der Dichtung angeordnete Nutenreihe soll unter der Annahme, ihre Nuten seien ganz mit Flüssigkeit gefüllt, einen höheren Flüssigkeitsdruck als die an der anderen Seite der Dichtung angeordnete Reihe erzeugen. Dabei soll sich Gleichgewichtszustand in der erstgenannten Nutenreihe — also in der Nutenreihe auf der Gasdruckseite — und eine Gas-Flüssigkeits-Berührungsfläche einstellen. Weiterhin soll der von den äußeren Nuten erzeugte höhere Druck vermieden werden, indem ein Ausgleich — z. B. durch unterschiedliche Breite der Nutenreihen (oder Tiefe der Nuien) — geschaffen wird.

In der mittleren Zone zwischen den spiralförmigen Nuten sind in Abständen ölzuführöffnungen angeordnet, die dazu dienen, beim Anlassen durch Zuführung von öl unter Druck die Scheiben entgegen der Federbelastung voneinander zu trennen. Es können aber auch andere Mittel angeordnet werden, die während des Anlassens die Federbelastung aufheben. Diese Druckölzufuhr ist eine von mehreren möglichen Anlaßhilfen. Für den Betrieb der Dichtung ist sie nicht vorgesehen, so daß auch diese Öffnungen funktionslos sind, sofern überhaupt vorhanden.

Das Sperrmedium öl gelangt durch eine Reihe von am äußeren Randbereich angeordneten Zufuhröffnungen in die spiralförmigen Nuten, und es wird aus dem Streifen der Öl-Dichtungsseite in den Bereich des anderen auf der Gasseite gedrückt, und zwar bis zu einer Gas-Öl-Berührungslinie, deren Lage durchaus instabil ist

Zur Lösung der bestehenden Aufgabe konnte aus diesem bekannten Stand der Technik eine Anregung nicht entnommen werden, weil er ein Dichtungssystem betrifft welches für höhere Drehzahlen und bestimmte Gase eine Grundlage für weiterführende Überlegungen nicht bieten konnte. Für die erfindungsgemäße gasgesperrte Wellendichtung kann diese Bauform schon deshalb nicht in Betracht gezogen werden, weil die klare mittlere Trennzone mit Gaszuführung von sauberem Sperrgas über sichelförmige Rillen im mittleren Bereich fehlt, sondern bei der dort vorgesehenen Zuführung unklare Vermischungsverhältnisse durch die beidseitig aufeinander zu fördernden Nutenreihen entstehen.

Um die Lösung der gestellten Aufgabe zu ermöglichen, sind an die Stabilisierung der Dichtringe zueinander und an die Stabilität der örtlichen Lage des Dichtungs-Sperrbereiches höchste Anforderungen gestellt und es können Instabilitäten — wie oben dargelegt — nicht in Kauf genommen werden. Diese Anforderungen bedingen eine extrem enge Bemessung des Dichtspaltes zwischen den Dichtringen, um den Durchtrittsraum für das abzudichtende Medium — Verfahrensgas — volumetrisch so klein als möglich zu halten, ebenso wie auch dadurch der Aufnahmeraum für das Sperrmediurn klein gehalten wird.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Sperrgaszone im mittleren Bereich der Dichtringe in Form eines durch die sichelförmigen Rillen unterstützten Druckpolsters, welches von beiden Seiten durch die zugeförderten jeweils anstehenden Medien stabilisierend begrenzt wird, kann die zuzuführende Sperrgasmenge ganz erheblich — nahezu gegen Null — vermindert werden, ohne daß die Tragfähigkeit der Dichtringe gegeneinander leidet weil beidseitig der Sperrgaszone die Medien aus den angrenzenden Räumen anstehen. Diese AusbiJdungsweise hat den ίο weiteren Vorteil, daß sich besonders gute Notlaufeigenschaften bei Ausfall der Sperrgaszuführung ergeben.

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird dem Stand der Technik gegenüber eine berührungsfreie gasgesperrte Wellendichtung geschaffen, die höchste Ansprüche an Sicherheit und Leckfreiheit erfüllt und daher eine voll zufriedenstellende Lösung darstellt

In den F i g. 3 bis 6 der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt Es zeigt
F i g. 4 einen Querschnitt durch eine Wellendichtung, Fig. 4 eine Draufsicht auf den nichtumlaufenden Dichtring entlang der Linie I-I nach F i g. 3,

Fig.5 einen Querschnitt einer Wellendichtung in einer anderen Ausführung,

Fig.6 eine Draufsicht entlang der Linie H-II gem. Fig. 5.

Ein umlaufender, mit der Welle verbundener Dichtring 1 befindet sich einem nichtumlaufenden Dichtring 2 gegenüber. Der nichtumlaufende Dichtring 2 ist mittels eines Faltenbalges 3 mit dem Dichtungsgehäuse 4 verbunden. Der Faltenbalg 3 übt auf den nichtumlaufenden Ring eine axial gerichtete geringe Anpreßkraft in Richtung auf den umlaufenden Dichtring 1 aus.

Die Zuführung des Sperrgases erfolgt durch Leitungen 5, die über Drosselstellen 7 in sichelförmige Rillen 6 im nichtumlaufenden Dichtring münden. Da das Sperrgas unter einem gewissen Druck zugeführt wird, bildet sich in der radialen Dichtfläche ein Druckkissen aus, welches entgegen dem Anpreßdruck den Dichtring 2 im Abstand vom Dichtring 1 hält und somit auch den radialen Dichtspalt 8 aufrechterhält und im mittleren Bereich eine ringförmige Trennzone von Sperrgas bildet.

Im äußeren Teil der Dichtung sind aerodynamisch wirksame Spiralnuten 9 eingearbeitet, in welche vom an den radialen Dichtspalt angrenzenden Raum 10 das dort anstehende Medium eintritt; im inneren Teil sind entsprechende Vertiefungen 11 angebracht, in die aus dem Raum 12 Verfahrensgas eintritt.

Bei höheren Drehzahlen wird im Bereich dieser Vertiefungen ein dynamisches Druckpolster gebildet, welches eine Axialkraft erzeugt, die eine Berührung der Dichtringe 1 und 2 auch bei Reduzierung der Sperrgaszufuhr durch die Versorgungsleitungen 5 verhindert.

Auch können je nach den zu berücksichtigenden Parametern entweder die inneren oder äußeren dynamisch wirksamen Vertiefungen weggelassen werden, wenn die erforderliche Axialkraft nicht sehr groß ist und die Anforderungen an die Dichtheit extrem hoch liegen.

In einer weiteren Ausgestaltung gemäß der Erfindung

können die aerodynamisch wirksamen Spiralnuten 9 im umlaufenden Dichtring 1 angeordnet sein, während der nichtumlaufende Dichtring 2 in diesem Bereich ebene Abschlußflächen aufweist.

in F i g. 5 und 6 ist eine solche Dichtung dargestellt, die nur im äußeren Bereich des umlaufenden Dichtrin-

ges 1 dynamisch wirksame Vertiefungen 13 aufweist.

Wie aus den Fig.4 und 6 ersichtlich ist, sind die Spiralnuten 9 und 13 unter Berücksichtigung der Drehrichtung des umlaufenden Dichtringes 1 stets so angeordnet, daß unter der Wirkung der sich aus der Relativbewegung zwischen dem nichtumlaufenden und dem umlaufenden Dichtring ergebenden aerodynamischen Kräfte sich ein Förderstrom des im Raum 10 anstehenden gasförmigen Mediums von außen nach innen ausbildet. Wegen der extremen Enge des Dichtspalts 8 und der Forderung, die Sperrgaszufuhr auf die absolut geringstmögliche Menge zu begrenzen soll auch die Zahl der Sperrgaszuführungen — Leitungen 5 — auf die geringstmögliche Zahl beschränkt und die öffnungsweite der Drosselstellen 7 so klein als möglich sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gasgesperrte Wellendichtung mit radialem ebenen Dichtspalt, der von einem mit einer Welle umlaufenden Dichtring und einem nichtumlaufenden, über ein allseitig nachgiebiges, zugleich dichtendes Element angepreßten Dichtring gebildet wird, wobei Sperrgas durch mit Drosseln versehene Zuführbohrungen sichelförmigen Rillen in der die eine Spaltseite bildenden Fläche des nichtumlaufenden Dichtrings zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im äußeren und/oder inneren Randbereich beidseitig der in der mittleren Zone angeordneten sichelförmigen Rillen (6) des nichtumlaufenden Dichtrings (2) entweder in der Spaltseite des nichtumlaufenden Dichtrings (2) oder in der Spaltseite des umlaufenden Dichtrings (1) nutenartige spiralförmig gekrümmte Vertiefungen (9, 11) angebracht sind, die sich derart von außen nach innen in Richtung auf die sichelförmigen Rillen (6) verlaufend erstrecken, daß sich für die anstehenden Medien ein Förderstrom in Richtung zur mittleren Zone hin ausbildet

2. Gasgesperrte Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nutenartigen Vertiefungen (9,11) zwischen 0,001 und 0,5 mm tief sind.