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Wellendichtung, insbesondere für große Verdichter-
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wellen Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung, insbesondere für
große Verdichterwellen, mit einer dynamischen Dichtungsanordnung zur Abdichtung
zwischen der Welle und einem Gehäuse bei umlaufender Welle.
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Bekannte Ringdichtungen und Gleitdichtungen in Verdichte@ verschleißen
schnell und bieten keine ausreichende Abdichtung gegen das Aus lecken von Gas aus
den Verdichtern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welledichtung der
eingangs genannten Art verschleißarm und im Sinne einer besseren Abdichtwirkung
zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Wellendichtung gemäß der
Erfindung durch eine zusätzliche statische Dichtungsanordnung zur Abdichtung bei
stehender Welle mit einem verschiebbaren, in Anlage mit einem Wellenabsatz bringbaren
Dichtungsteil und einer Steuereinrichtung zur Betatigung des Dichtungsteils durch
Beauschlagung mit vorgebbaren Strömungsmitteldrücken gekennzeichnet.
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Die erfindungsgemäße Welledichtung ermöglicht das Zurückhalten eines
verdichteten mediums innerhalb eines Axialverdichters, indem ein Ausecken des Ilediums
um die Verdichterwelle herum sowohl bei umlaufender als auch bei stillstehender
vlelle verhindert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausfü.ilrunsform der Lrfindung weist die
statische Dichtungsanordnung eine an der !elle befestigte und einen Axialabschnitt
derselben umschließende Hülse sowie einen das Dichtungsteil bildenden, ebenfalls
einen Axialabschnitt der Welle umschließenden und axial verschiebbaren Dichtungskolben
auf, der, wenn die dynamische Dichtungsanorunung unwirksam ist, axial in Anlage
an die genannte Külse verschiebbar ist und dann eine das Ausecken des verdichteten
Mediums aus dem Verdichtergehäuse verhindernde mechanische Dichtung bildet. cine
mit einem Ventil versehene Leitung dient zur Beaufschlagung einer Beaufschlagungsflche
des Dichtungskolbens mit dem verdichteten Medium.
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Der Dichtungskolben verschiebt sich axial in Anlage an die Hülse,
wenn das in der genannten Leitung befindliche Ventil geschlossen und die dynamische
Di chtungs anordnung außer Betrieb gesetzt ist, und der Kolben bildet in dieser
Stellung eine wirksame Dichtung, die zur Aufrechterhaltung der Abdichtung keine
Energie verbraucht.
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Palls die dynamische Dichtungsanordnung versagt, so legt sich der
Dichtungskolben der statischen Di chtungs anordnung automatisch an die Hülse an,
gleichgültig, ob das genannte Ventil geöffnet oder geschlossen ist.
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Außerdem drückt der Dichtungskolben im Betrieb mit umso größerer
Anlagekraft genen die Hülse, je größer der Druck des verdichteten Mediums ist.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit
Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. 5 zeigt: r'ig. 1 einen
Schnitt durch eine Wellendichtung nach der Erfindung, wobei der Dichtungskolben
der statischen Dichtungsanordnung zwei Stirnflächenbereiche mit gleichem Plächeninhalt
Al und zwei Stirnflächenbereiche mit gleichen Flächeninhalt A2 aufweist und wobei
einer der Stirnflächenbereiche mit einer Hülse zusammenwirkt, die eine durch ein
strömungsmitteldichtes Gehäuse hindurchverlaufende Welle umschließt, Fig. 2 einen
Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher der Dichtungskolben
wiederum zwei Stirnflächenbereiche mit gleichem Flächeninhalt Al und zwei Stirnflächenbereiche
mit
gleichem Flächeninhalt A2 aufweist und einer dieser Flächenbereiche mit einem Wellenabsatz
zusammenwirkt, Fig. 3 einen Schnitt durch eine weiter@ Ausführungsform, bei welcher
der Dichtungskolben vier Stirnflächenbereiche mit jeweils verschiedenem Flächeninhalt
au%'-ist und einer der Flächenbereiche mit einer die Welle umschließenden @ülse
zusammenviirkt Fig. 4 einen Schnitt durch eine noch weitere Ausführungsform, bei
welcher der Dichtungskolben, wiederum vier unterschiedlich große Stirnflächenbereiche
aufweist, von denen einer mit einem :!ellenabsatz zusammenwirkt Fig. 5 einen Schnitt
durch die Wellendichtung einer durch ein Verdichtergehäuse hindurchverlaufenden
Verdichterwelle,
Fig. 5 eine Stirnansicht eines Dichtungskolbens,
und 17ig. 7 einen Axialschnitt dadurch den in Fig. 6 gezeigten Dichtungskolben.
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i. 1 zeit einen schnitt durch einen Teil eines Axialverdichters,
dessen Welle 10 von einer daran befestigten Iiülse 12 bestimmter Länge umschlossen
ist. Die Hülse 12 wird mittels einer auf die Welle 10 aufgeschraubten Haltemutter
14 in ihrer Lage gehalten. mittels eines Dichtungselements 15, beispielsweise eines
O-Ringes, ist die Hülse 12 gegen die Welle 10 abgedichtet.
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Bei umlaufender Welle 10 verteilt eine Ringdichtung 16 Dichtungsöl
in einem zwischen der Ringdichtung 16 und der Hülse 12 gebildeten Dichtspalt 18.
Da das Dichtungsöl unter höherem Druck als dem Druck des im Verdichterinneren 20
befindlichen verdichteten Mediums gehalten wird, strömt ein Teil des Dichtungsöls
nach außen zur Außenluft 22, während der übrige Teil des Dichtungsöls nach innen
zu einer Ablaufnut 24 hin strömt.
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Während des Umlaufs der Welle 10 findet ein Druckausgleich zwischen
dem Verdichterinneren 20 und der Ablaufnut 24 statt, da ein Dichtungskolben 26 in
einer
nichtdichtenden Stellung 28 behalten wird und deshalb Gas
aus dem Verdichterinneren 20 durch einen Ringraum 30 und eine Öffnung 32 in die
Ablaufnut 24 gelangen kann.
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Stört die Drehung der Welle 10 auf, wird der Dichtungskolben 26 axial
in eine dichtende Stellung verschoben, in welcher sein Stirnflächenbereich 34 an
der Hülse 12 anliegt.
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Außer dem eben genannten Stirnflächenbereich 34 besitzt der Dichtungskolben
25 noch weitere Stirnflachenbereiche 36, 38 und 43. Die Stirnflächenbereiche 36
und 38 weisen jeweils einen Flächeninhalt A2 und die Stirnflächenbereiche 314 und
140 einen Flächeninhalt Al auf und A2 ist größer als Al. Die Abdichtungseigenschaften
der so gebildeten statischen Dichtungsanordnung werden durch Anordnung eines verformbaren
Dichtungselements 42, das beispielsweise aus einem Elastomer besteht, am Stirnflächenbereich
34 verbessert. Wenn der Dichtungskolben 26 in seine dichtende Stellung verschoben
wird, verformt sich das Dichtungselement 42 beim Anlegen an die Hälse 12, so daß
eine ausgezeichnete Abdichtung erzielt wird. Der Dichtungskolben 25 ist axial verschiebbar,
indem er auf seinen Mantelflächenbereichen 44, 46 und 48 gleitet.
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Der Dichtungskolben 26 wird dadurch in seine nicht dichtende Stellung
28 gebracht und dort gehalten, das man durch Öffnen eines Ventils 54 verdichtetes
Strömungsmittel aus dem Verdichterinneren 20 durch eine Leitung 52 zum Stirnflächenbereich
3G strömen läßt, während .leicilzeitig ein Ventil 56 geschlossen, ein Ventil 58
geöffnet und ein Ventil 60 geschlossen ist, so daß der Rauin vor dem Stirnflächenbereich
38 und die damit in Verbindung stehende Leitung 66 in die Außenluft 22 entlüPtet
wenigen.
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Soll der Dichtungskolben 26 in seine dichtende Stellung gebracht
werden, wird das Ventil 54 geschlossen, das Ventil 5G wird geöffnet, um den Raum
vor dem Stirnflächenbereich 36 und die damit in Verbindung stehende Leitung 64 in
die Außenluft 22 zu entlüften, das Ventil 58 wird geschlossen und das Ventil 60
wird geöffnet, um unter hohem Druck stehendes Strömungsmittel aus dem Verdichterinneren
20 durch das Ventil 60 und die Leitung 66 zum Stirnflächenbereich 38 zu leiten.
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Um den Strömungsmitteldurchtritt durch den Ringspalt 30 zwischen
der Welle 10 und der Innenwandung 68 des Dichtungskolbens möglichst klein zu halten
und zu drosseln, ist die Kolbeninnenwandung 68 mit einer eingeschnittenen schraubenlinienförmigen
lXut 70 versehen, die
eine Labyrinthdichtung bildet. Diese Labyrinthdichtungsnut
bringt außerdem den Vorteil, daß sie bei Drehung uer Welle 10 mit dieser zusammen
eine Art Pumpwirkung ergibt, die verhindert, daß Dichtungsäl in das Verdichterinnere
eindringt.
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Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung ist mit folgenden Ausnahmen identisch
mit der Anordnung nach Fig. 1: Der Stirnflächenbereich 40 jes Dichtungskolbens 2o
wirkt in der dichtenden Stellung des Kolbens rilt einem Wellenabsatz 72 zusammen,
wodurch die Notwendigkeit der Ijülse 12 und der llaltemutter 14 entfällt; das verforrnbare
Dichtungselement 72 ist anstatt am Stirnflächenbereich 34 am Stirnflächenbereich
40 angeordnet; die nicht dichtende Kolbenstellung ist mit 29 bezeichnet; und die
Ventile 54, 56, 58 und 60 werden im umgekehrten Sinne wie in F Fig. 1 betätigt,
so daß sie den Dichtungskolben 26 anstatt an die Hülse 12 gegen den llellenabsatz
72 in seine dichtende Stellung drängen.
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Die Anordnung nach Fig. 3 ist nit folgenden Aufnahmen mit derjenigen
nach Fig. 1 identisch: Der Stirnflächenbereich 38 wird ständig durch die Außenluft
22 beaufschlagt; der Flächeninhalt des Stirnflächenbereiches 36 ist größer als derjenige
des Stirnflächenbereiches 38, der Flächeninhalt des Stirnflächenbereiches 38 ist
größer
als derjenige des Stirnflächenbereiches 40 und dieser wiederum
ist größer als der Flächeninhalt des Stirnflächenbereiches 34.
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t;ie Anordnung nach Fig. 4 entspricht derjenigen nach Fig. 2 mit
der Ausnahme, daß der Flächeninhalt des Stirnflächenbereiches 38 größer als derjenige
des Stirnflächenbereiches 36 ist, der Flächeninhalt des Stirnflächenbereiches 36
größer als derjenige des Stirnflächenbereiches 34 und dieser wiederum größer als
der Flächeninhalt des Stirnflächenbereiches 40 ist.
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Fig. 5 zeigt einer Schnitt durch einen Teil eines Axialverdichters,
dessen Welle 110 mit einem Dichtungsöl 112 wird aus einen Behälter 113 entnommen,
in welchen es aus einem Hochdruckabscheider 114 oder einer anderen Einrichtung zur
Trennung von Strömungsmitteln unterschiedlicher Dichte gelangt ist, und wird mittels
einer Pumpe 116 mit größerem Druck als dem Druck des verdichteten Mediums 118 zur
Welle 110 gefördert. Das Dichtungsöl 112 strömt durch eine Leitung 120 und wird
während des Wellenumlaufs durch eine Ringdichtung 122 in dem zwischen der Ringdichtung
und einer Ilülse 126 gebildeten Dichtspalt verteilt. Die Hülse 126 umschließt die
Welle 110 und wird dort mittels einer auf die
Welle aufgeschraubten
Haltemutter 128 gehalten. @in Dichtungelement 129, beispielsweise ein O-Ring, dichtet
die Hülse 126 gege@ die Welle 110 ab. @in Druckregler 130 hält den Druck des Dichtungsöls
112 wn ein vorgebbares Ijaß über der. Druck des verdichteten Mediums 118, so daß
ein Teil des zur Ringdichtung 122 zugeführten Dichtungsöls in eine Ablaufnut 134
strömt.
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Der restliche Teil des zur Ringdichtung 122 zugeführten Dichtungsöls
112 strömt zur Außenluft 132 aus und von dort in den Behälter 113. Das in die Ablaufnut
134 gelangte Dichtungsöl läuft in den Hochdruckabscheider 114 ab.
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Bei Beginn der Drehung der Welle 110 gleitet der Dichtungskolben
136 aus seiner dichtenden Stellung 139 in eine nicht dichtende Stellun 138, nachdem
das Ventil 140 geöffnet worden ist und verdichtetes Strömungsmittel 118 durch eine
Leitung 142 und Öffnungen 146 zu einem Stirnflächenbereich 144 des Dichtungskolbens
136 gelangen und Druck beaufschlagen kann. Solange die Ringdichtung 122 in Betrieb
ist, kann kein verdichtetes Strömungsmittel 118 durch den Dichtspalt 124 aus lecken.
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Da die Projektionsfläche 144A des in Richtung des Pfeiles 145 in Fig.
7 projezierten Stirnflächenbereiches 144 größer als der auf der anderen Kolbenseite
gelegene
Stirnflächenbereich 148 ist, drängt eine nicht ausgeglic'nerle Kraft den Dichtungskolben
136 in die nicht dichtende Stellung 138. Der Stirnflächenbereich 150 bleibt mit
der Außenluft 132 in Verbindung, so daß eine Differenz der Beaufschlagungslächen
an den beiden axial xegenüberliegenden Enden des Dichtungskolbens 136 vorhanden
ist und das verdichtete Strömungsmittel eine nicht ausgeglichene Kraft auf den Kolben
ausüben kann.
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Kugeisperren 152 verriegeln den Dichtungskolben 136, nachdem sich
dieser in seine nichtdichtende Stellung 138 verschoben hat. Der Dichtungskolben
136 arbeitet jedoch auch ohne die Kugelsperren zufriedenstellend.
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enn die Drehung der Welle 110 aufhört, wird kein Dichtungsöl 112
mehr zur Ringdichtung 122 gepumpt und das Ventil 140 wird geschlossen. Eingeschlossenes
Strömungsmittel 118 kann nunmehr durch den Dichtspalt 124 aus der Ablaufnut 134
in die Außenluft 132 aus lecken.
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Da nunmehr auf die Stirnflächenbereiche 144 und 150 nur der Außenluftdruck
und auf den Stirnflächenbereich 148 ein größerer Gasdruck wirkt, wird die Sperrkraft
der Kugelsperren 152 überwunden und der Dichtungskolben 136 in Anlage an die Hülse
126 in seine dichtende Stellung 139 gedrängt. Ein Ventil 154 ermöglicht nach dem
Schließen des Ventils 140 eine zusätzliche Entlüftung in die Außenluft 132.
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Der in den Fig. 6 und 7 mehr im einzelnen dargestellte Dichtungskolben
136 weist Vertiefungen 156 auf, in welche die Kugeln der Kugelsperren 1)2 einrasten
können und dadurch den Kolben in seiner nichtdichtenden Stellung 136 arretieren.
Ein Strömungsmitteldurchtritt zwischen den Stirnflächenbereichen 144, 1@0 und 14@
wird durch Dichtungselemente 13S, beispielsweise O-Ringe, verhindert. Am Stirnflächenbereich
159 ist ein verformbares Dichtungselement 160 angeordnet, welches, wenn es durch
den Dichtungskolben 136 in Anlage ar die Hülse 126 gepreßt wird, eine Strömungsmitteldichte
Abdichtung herstellt und verdichtetes Strömungsmittel innerhalb des Verdichters
heilt.
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Ist der Druck des verdichteten Mediums 113 gleich Pg und der Außenluftdruck
gleich Pa und bezeichnet man die wirksame Fläche des Stirnflächenbereiches 140 mit
A1, die wirksame Fläche des Stirnflächenbereiches 150 mit A2, die Projektionsfläche
144A des Stirnflächenbereiches 144 mit A3 und die wirlssame Fläche des Flächenbereiches
159 mit A4, so müssen die folgenden Gleichnungen erfüllt sein, damit der Dichtungskolben
136 in der gewünschten Weise arbeitet:
Für die Verschieburg in
die nicht dichtende Stellung 13@: P@A3 > PaA2 + P@A1 + Reibung an den Flächen
162 und 154 Für die Verschiebung in die dichtende Stellung 139: P@A1 + PaA2 >
Pa(A3 + A4) + Entriegelungskrüfte + @eibung an der Flächen 162 und 164.
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Der Dichtungskolben 136 ist zwischen seiner nichtdichtenden Stellung
138 und seiner dichtenden Stellung 139 verschiebbar, indem er axial auf seinen Mantelflächenbereichen
162 und 164 leitet. ULI einen Durchtritt von Strömungsmittel 118 durch den Ringspalt
166 zwischen der Welle 110 und der Kolbeninnenfläche 168 möglichst klein zu halten
und zu drosseln, ist eine scnraubenlinienförmige, eine Labyrinthdichtung bildende
lut 170 in die Kolbeninnenfläche geschnitten. Während der Drehung der Welle 113
erzeut diese Labyrinthdichtungsnut 170 zusammen mit der Welle eine Pumpwirkung,
die verhindert, daß Dichtungsöl 112 in das Verdichterinnere gelangt und das verdichtete
Medium 118 verunreinigt. Die Abdichtfähigkeit des Dichtungskolbens 136 ist umso
größer, je größer der Druck des verdichteten Mediums 118 ist, der das
elastomerische
Dichtungselement 160 gegen die Hülse 126 drängt.
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L e e r s e i t e