DE2519689A1 - Dichtung fuer eine turbo-maschine - Google Patents

Description

PATE NTANWALTSB ü R O

BERLIN — MÜNCHEN

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. W. MEISSNER (BLN) DIPL-ING. P. E. MEISSNER (MCHN) DIP'..-ING. H.-J. PRESTING (BLN)

1 BERLIN 33, HERBERTSTR. 22

Ihr Zeichen Ihr Schreiben vom Unser Zeichen , Berlin, den

Mü- 67 -LW/st TC-72-5 Fall Nr. 269

Dresser Industries, Inc.
The Dresser Building
Elm and Akard Streets
Dallas/Texas Td 221/USA

Dichtung für eine Turbo-Maschine

Die Erfindung betrifft eine Dichtung für eine Turbo-Maschine od. dgl., insbesondere eine Dichtung, mit der eine flüssigkeits- oder gasdichte Abdichtung sowohl gegenüber dem Rotor der Turbo-Maschine als auch gegenüber dem Gehäuse der Turbo-Maschine erzielbar ist, und die eine die Rotorwelle unterstützende zusätzliche Wellenlagerung schafft, um höhere kritische Drehzahlen zu ermöglichen.

Das Bestreben, bei Turbo-Maschinen mehrere Stufen vorzusehen, hat dazu geführt, daß Turbo-Maschinen mit relativ langen Wellen versehen werden. Bei derartigen Turbo-Maschinen

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BORO MÖNCHEN TELEX: TELEGRAMM. TELEFON: BANKKONTO: POSTSCHECKKONTO:

MÖNCHEN 22 1-856 44 INVENTION BERLIN BERLINER BANK AG. W. MEISSNER, BLN-W

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TEL.: 089/22 35 44 030/886 23 82 3695716000

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ist es erwünscht, den Schaftdurchmesser so klein wie möglich zu halten, um die Massenkräfte der rotierenden Teile der Maschine zu verringern. Die relativ langen Wellen in mehrstufigen Maschinen haben infolge der Vibrationen, die bei relativ langen, flexiblen Wellen auftreten, beträchtliche Schwierigkeiten verursacht. Es ist offenbar erforderlich, zur Verminderung der Vibration, wenn die Drehzahl die verschiedenen kritischen Drehzahlen passiert, die Wellensteifheit aufrecht zu erhalten. Angesichts der gegenwärtig üblichen hohen Wellendrehzahl ist es sehr wünschenswert, die kritische Drehzahl um einen möglichst hohen Betrag zu erhöhen. Es kommt erschwerend noch hinzu, daß es in einer Turbo-Maschine praktisch nicht üblich ist, zwischen den an jedem Ende des Wellengehäuses angeordneten Lagern zusätzliche Stützlager vorzusehen.

Es hat sich gezeigt, daß die Wellensteifheit um einen bestimmten Betrag erhöht werden kann, wenn man Dichtungen benutzt, die unter dem Druck des Fluids gegen das Gehäuse gedrückt werden, so daß zwischen dem Gehäuse und der Dichtung eine Reibverbindung entsteht. Derartige Kräfte widerstehen der seitlichen oder radialen Bewegung der Welle, wenn diese in Drehung versetzt wird, bis die von dem Druck erzeugte Reibungskraft überschritten ist.

Die erfindungsgemäße Dichtung wirkt effektiv als Dichtung und gibt der Welle eine zusätzliche Steifheit dank der Verwendung von Mitteln, die die Dichtung in radialer Richtung unter Druck setzen und somit eine Radialkraft auf die Welle in einer vorher festgesetzten Richtung ausüben.

Die vorstehend erwähnten Ziele und Vorteile der Erfindung werden durch die erfindungsgemäße Dichtung erzielt. Die Dichtung kann in einer Turbo-Maschine verwendet werden, die ein Gehäuse, eine im Gehäuse gelagerte Welle und Einrichtungen zur Verwendung eines Druckfluids im Gehäuse aufweist. Die Dichtung ist im die Welle umschließenden Gehäuse angeordnet

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und weist einen ringförmigen Dichtungskörper auf, dessen Längsachse zur Rotorwelle im wesentlichen parallel verläuft. Die beiden Endflächen des Körpers verlaufen zur Achse im wesentlichen senkrecht. Durch die Enden der Dichtung erstreckt sich eine Bohrung, in der die Rotorwelle drehbar und abdichtend gelagert ist. Am ersten Ende des Dichtungskörpers ist zumindest eine Fläche vorgesehen, die am Gehäuse dicht anliegt und mit diesem in Reibverbindung steht. Der Dichtungskörper ist von einem in das Gehäuse eingebrachten Druckfluid beaufschlagt, wodurch die Dichtung axial auf die Radialfläche des Gehäuses gedrückt ist. Ferner ist am Dichtungskörper zumindest eine Durchbiegungsstelle (biasing means) vergesehen, um die Dichtung unter der Einwirkung des Druckes des Fluids in einer bestimmten Radialrichtung durchzubjjlgen (to be biased), wobei sich die Dichtung stabilisiert und sich elastisch verformt (providing reproduceable biasing results).

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus der in der Anlage beigefügten Zeichnung. Hierbei zeigen:
Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Turbo-Maschine mit

einer erfindungsgemäßen Dichtung; Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Erfindungsgegenstanfl

nach Linie 2 - 2 in Fig. 1;
Fig. 3 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform

der erfindungsgemäßen Dichtung und Fig. 4 einen Querschnitt durch die Dichtung gemäß Fig. 3 nach Linie 4 - 4 in Fig. 3.

Gemäß Fig. 1 weist eine Turbo-Maschine 10 eine Dichtung 12 auf, die gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Obwohl hier nur eine Dichtung dargestellt ist, können selbstverständlich auch zusätzliche Dichtungen 12 am anderen Ende der Welle 16 angeordnet werden. Die Turbo-Maschine 10 weist ein Gehäuse

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mit einer in diesem drehbar gelagerten Rotorwelle 16 auf. Fig. 1 ist nur ein Teilschnitt durch die Turbo-Maschine und zeigt weder die an der Welle 16 angebrachten Rotoren noch die die Welle 16 im Gehäuse 14 halternden Lager.

Das Gehäuse 14 bildet einen Hohlraum mit einer darin ausgebildeten Aussparung 18, die eine radial, angeordnete Fläche 20 bildet. Aus Gründen der Herstellung und des Zusammenbaus ist das Gehäuse 14 aus einer Anzahl von Komponenten zusammengesetzt. Die verschiedenen Komponenten sind in der Zeichnung nicht mit Bezugsziffern versehen. Durch das Gehäuse 14 erstreckt sich ein Durchlaß 22, der es dem unter Druck stehenden Fluid, gewöhnlich Dichtungsfluid oder Schmiermittel, gestattet, durch das Gehäuse 14 in die Aussparung 18 zu strömen. Der damit verfolgte Zweck wird nachfolgend noch eingehender beschrieben.

Die Dichtung 12 weist einen ringförmigen Dichtungskörper 24 auf, der mit einem der im Gehäuse 14 ausgebildeten Radialfläche 20 benachbarten ersten Ende 26 und einem in der Aussparung 18 angeordneten zweiten Ende 28 versehen ist. Eine im Dichtungskörper 24 ausgebildete und sich durch die Enden 26 und 28 hindurch erstreckende Bohrung 30 umgibt die Rotorwelle 16, wobei letztere in der Bohrung drehbar ist und an dieser dicht anliegt. In der Bohrung 30 des Körpers 24 ist eine Ausnehmung 32 vorgesehen, die über sich durch den Körper 24 hindurch erstreckende Durchlässe 34 und 36 mit der Aussparung 18 in Verbindung steht. Wie deutlicher aus Fig. 2 zu ersehen ist, ist die Ausnehmung 32 im wesentlichen bogenförmig geformt und nimmt nur einen Teil des Innenumfangs des Körpers 24 ein. Die Ausnehmung 32 kann etwa beschrieben werden als Teil eines Kreises, der gegenüber der Bohrung 30 einen unterschiedlichen Durchmesser und Mittelpunkt aufweist. Ein in die Aussparung 18 des Gehäuses 14 eingebrachtes Druckfluid gelangt über die Durchlässe 34 und 36 in die Ausnehmung 32 und übt innerhalb der Ausnehmung 32 auf den Dichtungskörper

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24 einen Druck aus, der zur Folge hat, daß die Dichtung radial auf die Welle 16 gedrückt wird.

Am ersten Ende 26 des Dichtungskörpers 24 ist ein Paar von in axialer Richtung vorstehenden, ringförmigen Flanschen 38 angeordnet. Die Flansche 38 wirken mit der Fläche 20 des Gehäuses 14 derart zusammen, daß sie an letzterem dicht anliegen und eine Reibverbindung bilden. Angesichts der Dichtungsverbindung der Flansche 38 mit der Fläche 20 wird an dem dem Druckfluid in der Aussparung ausgesetzten Körper 24 ein veränderlicher Bereich erzeugt. Als ein Ergebnis des veränderlichen Bereichs übt das in der Aussparung 18 enthaltene Fluid auf den Körper 24 eine Druckkraft aus, die die Neigung hat, die auf die Flansche 38 axial drückende Dichtung 12 mit der Fläche 20 in Wirkverbindung zu bringen. Der Betrag der Kraft kann durch Veränderung des Druckes oder durch Veränderung der Anordnungen der Flansche 38 variiert werden.

Zwischen dem Dichtungskörper 24 und dem Gehäuse erstreckt sich ein Haltestift 40, der eine relative Drehbewegung zwischen der Dichtung 12 und dem Gehäuse 14 verhindert. Der Stift 40 ist derart angeordnet, daß die Ausnehmung 32 wie gewünscht angeordnet ist, um eine radiale Durchbiegung in einer vorher bestimmten Richtung zu erzielen.

Zur Verhinderung des Entweichens von Druckfluid aus der Aussparung 18 ist eine zweite oder innere ringförmige Dichtung 42 vorgesehen, in der die Rotorwelle 16 bei gleichzeitiger Abdichtung drehbar angeordnet ist. Ein Austritt des Fluids an der Dichtung 42 vorbei nach außen ist durch einen O-Ring 44 verhindert, welch letzterer im Gehäuse 14 unter Bildung einer dichten Verbindung mit der Dichtung 42 angeordnet ist.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der bevorzugten Ausführungsform erläutert. Wie vorstehend erwähnt, ist die Rotorwelle 16 mit (hier nicht dargestellten) Rotoren versehen und in

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(hier nicht dargestellten), an jedem Ende des Gehäuses 14 angeordneten Lagern gelagert. Wenn sich die Welle 16 dreht, hat sie die Neigung, sich infolge der Masse der Welle und der Rotoren in radialer Richtung durchzubiegen, wobei eine derartige Durchbiegung verschieden stark ist, wenn verschiedene kritische Drehzahlen der Welle bei wachsender Drehgeschwindigkeit der Welle 16 durchlaufen werden.

Zur Erhöhung der kritischen Drehzahl der Welle 16 wird in die Aussparung 18 Druckfluid eingebracht, das auf das Ende 28 des Körpers 24 wirkt und die Dichtung 12 dicht an die Fläche 20 des Gehäuses 14 andrückt. Die Dichtung 12 wird durch diese Kraft in relativ fester Stellung gehalten, bis die Welle 16 Kräfte entwickelt, die zur Überwindung der Reibkraft ausreichen und die zur Folge haben, daß die Dichtung 24 sich relativ zur Fläche 20 bewegt. Wie vorstehend erwähnt, kann die Reibkraft sowie die Radialkraft durch Veränderung des Druckes des Fluids in der Aussparung 18 variiert werden. Somit kann, wenn bei der Wellenbetriebsdrehzahl relativ hohe Vibrationskräfte erwartet werden, der Druck erhöht werden, um erhöhte Reib- und Radialkräfte zu erzielen und um die Welle 16 auszusteifen und die kritische Drehzahl der Welle 16 zu erhöhen. Da die Dichtungen 12 zwischen den die Welle 16 halternden Lagern angeordnet sind, erhält die Welle 16 eine zusätzliche Aussteifung infolge der auf die Welle 16 durch die Dichtungen 12 ausgeübten Kraft.

In einer Reihe von Versuchen hat sich an den Dichtungen, die nicht radial unter Druck standen, gezeigt, daß, während die Welle ausgesteift ist, die Ergebnisse ein wenig unvorhersehbar sind. Durch Hinzunahme der Ausnehmung 32 an der Dichtung mit ihrer begleitenden radial gerichteten Kraft, die von der Druckflüssigkeit hervorgerufen wird, drückt die Dichtung in einer bestimmten radialen Richtung, so daß die von der Dichtung 12 auf die Welle 16 ausgeübte Radialkraft die Auflage der Last stabilisiert und dabei vorhersehbare Ergebnisse

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zeitigt.

Nachfolgend wird die Ausführungsform gemäß Fig. 3 erläutert. Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer ringförmigen Dichtung 50. Die Dichtung 50 kann an Stelle der vorstehend beschriebenen Dichtung 12 in die Turbo-Maschine 10 eingesetzt werden.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, umfaßt die Dichtung 50 einen Dichtungskörper 52 mit einem ersten Ende 54, welch letzteres mit ringförmigen, axial verlaufenden Flanschen 56 versehen ist. Ferner weist die Dichtung 50 ein zweites Ende 58 auf. Durch den Dichtungskörper 52 erstreckt sich eine die Enden 54 und 58 durchbrechende Bohrung 60. Die Bohrung 60 ist derart bemessen, daß sie die Welle 16 drehbar aufnimmt und dicht an dieser anliegt.

In einer am Außenumfang des Dichtungskörpers 52 ausgebildeten Nut 64 ist ein O-Ring oder eine ähnliche Dichtung 62 angeordnet. Die Dichtung 62 ist derart bemessen, daß sie dicht am Gehäuse 14 anliegt, wenn die Dichtung 50 in der Turbo-Maschine 10 installiert ist. Wie dargestellt ist, isoliert die Dichtung 62 nur einen kleinen Bereich am Umfang der Dichtung 50. Der isolierte Bereich wird mit Hilfe eines Durchlasses 66 zum Niederdruckbereich hin in der Turbo-Maschine 10 entlüftet (vented). Man stellt fest, daß die Anwendung von Niederdruck auf den isolierten Bereich zur Folge hat, daß die Druckflüssigkeit in der Aussparung 18 die Dichtung 50 nach oben drückt, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist.

Ein Haltestift 68 ist in der Dichtung 52 dargestellt und dient zur Verhinderung einer relativen Drehbewegung zwischen dem Körper 52 und dem Gehäuse 14, wenn die Dichtung 50 in die Turbo-Maschine 10 eingesetzt ist. Der Stift 68 kann, wo immer dies erwünscht ist, angeordnet werden, um die Richtung der Druckkraft in einer bestimmten und gewünschten Richtung zu orientieren.

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Die Arbeitsweise der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist im wesentlichen die gleiche und weist die gleichen Ergebnisse auf, wie bei der vorstehend beschriebenen Dichtung 12, wenn die Dichtung in die Turbo-Maschine 10 eingesetzt ist.

Aus den vorstehenden detaillierten Erläuterungen wird deutlich, daß die erfindungsgemäßen Dichtungen für Turbo-Maschinen ein Mittel zur Aussteifung der Rotorwelle der Turbo-Maschinen bilden. Die erfindungsgemäßen Dichtungen steifen die Welle nicht nur aus, sondern sie liefern vorhersehbare Ergebnisse, da die radiale Druckkraft in bestimmter Richtung ausgeübt werden kann.

Die vorstehend im Detail beschriebenen Ausführungsformen stellen nur ein Beispiel des Erfindungsgegenstandes dar. Es sei betont, daß Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Zusammengefaßt bezieht sich die Erfindung somit auf eine Dichtung für Turbo-Maschinen, die einen ringförmigen Dichtungskörper aufweist, der um die Rotorwelle der Turbo-Maschine herum und innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Der Dichtungskörper weist ein erstes Ende auf, das mit einer im Gehäuse radial angeordneten Fläche reibend und abdichtend zusammenwirkt, während die Dichtung einem Druckfluid ausgesetzt ist, das den Dichtungskörper auf die Radialfläche drückt. In einer Ausführungsform ist der Dichtungskörper mit einer Ausnehmung in einem Teil der Bohrung nahe der Rotorwelle angeordnet, die dem Druckfluid ausgesetzt ist und dabei auf den Dichtungskörper in einer radialen Richtung eine Druckkraft schafft. In einer anderen Ausführungsform kann der Dichtungskörper mit einer Dichtung am Außenumfang desselben versehen sein, die mit dem Gehäuse zusammenwirkt. Der somit durch die Dichtung isolierte Bereich ist zu einem Niederdruck hin entlüftet, so daß der Dichtungskörper radial unter Druck steht. Der Zweck des radialen Druckes auf den Dichtungskörper

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besteht darin, die Dichtung mit einer bestimmten Kraftrichtung zu beaufschlagen, so daß vorhersehbare Ergebnisse in bezug auf die die Welle tragenden Charakteristiken der erfindungsgemäßen Dichtung erzielt werden können.

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Claims (6)

« ' ■ ■■? Patentansprüche

1. Dichtung für eine Turbo-Maschine od. dgl., die ein Hohlgehäuse mit einer innenseitig angeordneten Radialfläche, eine Schmiereinrichtung zur Einleitung eines Druckfluids in das Gehäuse und eine im Gehäuse drehbar gelagerte Rotorwelle aufweist, gekennzeichnet

durch einen im Gehäuse (14) angeordneten ringförmigen Dichtungskörper (24), der aufweist

eine zur Rotorwelle im wesentlichen parallel verlaufende Längsachse,

ein ersten Ende (26) und ein zweites Ende (28), deren Flächen zur Achse in im wesentlichen senkrechten Ebenen angeordnet sind, die von einer Bohrung (30) durchsetzt sind, in der die Rotorwelle drehbar und dicht anliegend angeordnet ist, von denen am ersten Ende (26) Flächen (38) ausgebildet sind, die dicht an der Radialfläche (20) des Gehäuses (14) anliegen und mit dieser in reibender Verbindung sind und von denen das zweite Ende (28) vom Druck des Fluids derart beaufschlagt ist, daß die Dichtung (24) axial auf die Radialfläche (20) des Gehäuses (14) gedrückt ist, und eine am Dichtungskörper (24) ausgebildete Durchbiegungsstelle (biasing means) (32), in deren Bereich die Dichtung (12) unter dem Einfluß des Druckfluids in radialer Richtung biegbar und dabei stabilisierbar ist und sich dabei elastisch verformt (providing
reproduceable sealing and biasing results).

2. Dichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mit dem Dichtungskörper (24) und dem Gehäuse (14) zusammenwirkenden, eine relative Drehbewegung zwischen dem Dichtungskörper (24) und dem Gehäuse (14) verhindernden und die Richtung der radialen Durchbiegung vorherbestimmenden Haltestift (40).

3. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbiegungsstelle (32) eine im Dichtungskörper (24) ausgebildete, an die Bohrung (30) angrenzende Ausnehmung ist, die

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vom Druckfluid derart beaufschlagbar ist, daß die Dichtung (12) radial nach außen durchbiegbar ist.

4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (32) gewölbt und vom Bogen eines Kreises gebildet ist, dessen Durchmesser kleiner als der der Bohrung (30) und dessen Mittelpunkt gegenüber der Mittelachse der Bohrung (30) versetzt ist.

5. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbiegungsstelle eine am Umfang des Dichtungskörpers (52) ausgebildete, zur Umgrenzung eines Bereichs am Umfang des Dichtungskörpers (52) dicht am Gehäuse (14) anliegende Dichtungseinrichtung (62) sowie einen Druckausgleichskanal (venting means) (66) zur Verbindung mit dem umgrenzten Bereich aufweist.

6. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch ^kennzeichnet _t daß der Druckausgleichskanal (66) mit einem Raum verbunden ist, der gegenüber dem Druck des Druckfluids einen geringeren Druck aufweist derart, daß die Dichtung (52) relativ zum umgrenzten bzw. isolierten Bereich hin gedrückt (biased) ist.

-./dt

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