DE3208657C2 - Berührungslose Dichtanordnung für die Endflächen einer Rotationsmaschine - Google Patents
Berührungslose Dichtanordnung für die Endflächen einer RotationsmaschineInfo
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Abstract
Bei einer berührungslosen Endflächen-Dichtung für eine Rotationsmaschine sind die einander gegenüberliegenden Flächen eines Rotors (1) und eines Stators (2) durch einen Spalt (H, h) voneinander getrennt, wobei eine der beiden Oberflächen (1) glatt und eben ausgebildet ist, während die andere in Form einer in sich geschlossenen Kurvenfläche (2) ausgeführt ist, innerhalb deren Innenseite die drehbare Maschinenwelle (3) angeordnet ist und deren Außenseite innerhalb der Kontur der anderen Oberfläche (1) liegt, wobei die geschlossene Kurvenfläche (2) eine Unterteilung zwischen einer Zone höheren und einer Zone niedrigeren Druckes ausgebildet und eine solche Formgebung aufweist, daß die Tangente an einen beliebigen Punkt (D) aus der Kurvenfläche (2) mit dem Vektor (v) der im jeweiligen Punkt gegebenen Geschwindigkeit einen (positiven oder negativen) spitzen Winkel einschließt. Die Spaltweite (h, H) zwischen beiden Oberflächen (1, 2) wird bei den Punkten innerhalb der Kurvenfläche (2), deren Geschwindigkeitsvektoren (vΔ) eine von der Zone höheren Druckes zu der niedrigeren Druckes hin verlaufende Richtung aufweisen, kleiner als bei den Punkten ausgeführt, deren Geschwindigkeitsvektoren (v) eine von der Zone niedrigeren Druckes zu der höheren Druckes hin verlaufende Richtung aufweisen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine berührungslose Dichtanordnung zum Abdichten der Endflächen bei einer
Rotationsmaschine, die einen auf einer drehbaren Maschinenwelle angeordneten Rotor und einen mit einem
Maschinengehäuse verbundenen Stator aufweist, wobei Rotor und Stator einander gegenüberliegende glatte
und vorzugsweise planare Oberflächen aufweisen, die durch einen Spalt getrennt sind, der über seinen Verlauf
wenigstens zwei Spaltweiten ausbildet.
Solche Dichtungen werden eingesetzt um zwei Räume, die auf unterschiedlichen Drücken gehalten sind,
voneinander zu trennen, und um zu verhindern, daß Fluid von der Zone hohen Druckes zu der geringen Druckes
hin fließt.
Es sind zwei Arten solcher Dichtungen allgemein bekannt, nämlich solche, die mit Berührung und solche die
berührungslos arbeiten. Ganz allgemein läßt sich sagen, daß ein mechanischer Kontakt zwischen den Dichtflächen,
wie z. B. in der US-PS 22 50 348 beschrieben, praktisch ein unerwünschtes Ausfließen von Fluid verhindert
dies jedoch unter Inkaufnahme relativ hoher Reibungsverluste und von Abrieb, wodurch eine nur kurze Lebensdauer
erreichbar ist. In der US-PS 40 26 564 wird ein Vorschlag zur Verringerung der Reibung durch Einführung
eines relativ großen Spaltes zwischen den abzudichtenden Flächen gemacht, dies führt aber wiederum unvermeidlich
zu Leckverlusten. Aus der US-PS 37 51 045 ist eine berührungslose Dichtanordnung gezeigt, die man
als eine Art Kompromiß ansehen kann, indem dort zwar ein Spalt eingesetzt wird, der jedoch so gering
ausgebildet ist, daß er gerade noch ausreichend ist, um einen Reibschluß bzw. Reibkontakt zu vermeiden:
hierdurch läßt sich zwar ein Leckverlust nicht ganz vermeiden, bewegt sich aber in einem sehr engen Rahmen.
Es gibt eine Vielzahl von Einsatzfällen, bei denen das Austreten eines Fluids unter allen Umständen vermieden
werden muß, so z. B. bei giftigen, korrosiven, radioaktiven oder sehr teueren Flüssigkeiten, oder auch aus
anderen Gründen. So ist eine lange Einsatzdauer ebenfalls ein sehr wünschenswert Faktor per se.
Ausgehend hiervon liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter weitgehender Vermeidung der
aufgezeigten Nachteile eine berührungslose Endflächendichtung auch für diese Einsatzfälle zu schaffen, die
überdies geringe Anfangs- und Betriebskosten durch Verwendung einfacher Einzelbauteile ermöglicht und die
eine lange Einsatzdauer sicherstellt, indem sie das Auftreten von Verschleiß und Abrieb durch Kontakt zwischen s
den Dichtflächen verhindert
Diese Aufgabe wird bei einer Endflächen-Dichtanordnung der eingangs genannten Art dadurch erreicht daß
eine der beiden Oberflächen glatt und gleichförmig cusgebildet ist, daß die andere der beiden Oberflächen eine
geschlossen- Kurvenfläche ausbildet, die eine Innenseite aufweist, welche die Maschinenwelle umschließt, und
deren Außenseite innerhalb der Kontur der anderen Oberfläche liegt, daß diese geschlossene Kurvenfläche eine
Trennung zwischen einer Zone hohen Druckes und einer Zone niedrigen Druckes darstellt und so geformt ist,
daß eine Tangente an einen beliebigen Punkt auf dieser Kurvenfläche einen spitzen, positiven oder negativen
Winkel zur Richtung des Geschwindigkeitsvektors ausbildet, der durch diesen Punkt geht oder mit ihm zusammenfällt,
und daß an allen Punkten dieser Kurve, bei denen der Geschwindigkeitsvektor von der Zone höheren
Drucks nach der Zone geringeren Drucks hin ausgerichtet ist, die Spaltweite zwischen den einander gegenüberliegenden
Oberflächen geringer ist als bei den Punkten, bei denen der Geschwindigkeitsvektor von der Zone
geringeren Drucks zu der Zone höheren Drucks gerichtet ist
Die erfindungsgemäße Lösung macht von folgenden grundsätzliche Prinzipien Gebrauch:
Befindet sich ein Fluid in einem Spalt der Weite h zwischen einer stationären Oberfläche und einer beweglichen
Oberfläche, dann wird das Fluid durch die bewegte Oberfläche in Richtung des Geschwindigkeitsvektors ν
mitgerissen. Der Fluidstrom Q\ pro Längeneinheit läßt sich ausdrücken durch die Gleichung
Falls die bewegte Oberfläche sich von einer Zone geringeren Druckes (P2) zu einer Zone höheren Druckes
(TV hin bewegt ergibt sich auch ein durch den Druckunterschied hervorgerufener Fluidstrom Q2 in entgegengesetzter
Richtung, der sich durch die Gleichung
wobei L die Länge des Spaltes in Richtung vom höheren zum niedrigeren Druck hin und μ die Viskosität des
Fluids bezeichnen (Qi ebenfalls auf Längeneinheit bezogen).
Um zu verhindern, daß Fluid nun durch den Spalt von der Zone höheren zu der niedrigeren Druckes ausfließt,
muß der Fluidstrom Q\ gleich oder größer dem Fluidstrom Q2 sein, d. h. die Bedingungen sind erfindungsgemäß
so gewählt, daß eine der Flächen der Spaltdichtung stets sich in Richtung von der Zone geringen Druckes zu der
hohen Druckes hin bewegt. Die erfindungsgemäße Lösung sieht also einen Rotor und einen Stator vor, die durch
einen engen Spalt voneinander getrennt sind, wobei die Ausbildung der Dichtanordnung erfindungsgemäß so
gewählt ist, daß die Strömungsbedingungen nicht längs des Umfangs des Spaltes gleich sind, sondern daß sie für
jeden Punkt der Dichtflächen unterschiedlich sind, wodurch sich die erfindungsgemäße Aufgabenstellung lösen
läßt, was bei Einsatz einer rotierenden axialsymmetrischen Oberfläche und einer stationären Oberfläche nicht
erzielbar ist. Die erfindungsgemäß eingesetzte Kurvenfläche weist dabei die Eigenschaft auf, daß eine Tangente,
die man an irgendeinen Punkt innerhalb der Kurvenfläche anlegt, einen spitzwinkligen (positiven oder negativen)
Winkel mit der Richtung des Geschwindigkeitsvektors des Rotors, der gerade für diesen Punkt gültig ist,
einschließt. Dabei werden alle Punkte innerhalb der Statoroberfläche, bei denen der Geschwindigkeitsvektor
des Rotors eine Richtung von der Innenseite der geschlossenen Kurvenfläche zu deren Außenseite hin aufweist,
von der Rotoroberfläche durch einen Spalt einer vorgewählten Spaltweite getrennt, und alle Punkte auf der
Statoroberfläche, bei denen der Geschwindigkeitsvektor für die Rotorgeschwindigkeit eine Richtung von der
Außenseite der geschlossenen Kurvenfläche zu deren Innenseite hin aufweist, von der Rotoroberfläche durch
einen Spalt mit einer anderen Spaltweite (nämlich einer größeren Spaltweite) getrennt.
Geht man wiederum von dem Fall aus, daß der Druck auf der Außenseite der geschlossenen Kurvenfläche
größer als auf deren Innenseite ist, dann wird Fluid bei jedem Punkt auf der Kurvenfläche, bei dem der
Geschwindigkeitsvektor nach deren Außenseite hin gerichtet ist, in diese Richtung gegen einen Druckaufbau
transportiert. Umgekehrt, wird an all den Punkten, bei denen der Geschwindigkeitsvektor nach der Innenseite
der geschlossenen Kurvenfläche hin gerichtet ist, Fluid durch den hydrodynamischen Effekt nach innen transportiert,
was noch durch den Druckunterschied begünstigt wird. Da die Kurvenfläche vorzugsweise symmetrisch ist
und symmetrisch zur Rotorachse angeordnet ist, wird Fluid über eine Hälfte der Kurvenfläche nach innen und
über die zweite Hälfte der Kurvenfläche nach außen transportiert. Sieht man nun eine größere Spaltweite längs
des Abschnittes, bei dem der Fluidstrom nach außen gerichtet ist, und einen engeren Spalt längs des Abschnittes
der Kurvenfläche, bei dem der Fluidstrom nach innen gerichtet ist, vor, dann ergibt sich der Fluidausstrom durch
den größeren Spalt — setzt man den Druck auf beiden Seiten der Kurvenfläche gleich an — als größer als der
Fluidstrom nach innen durch den engen Spalt, wie dies sich aus Gleichung (1) ableiten läßt: dies kommt daher,
daß der Fluidstrom proportional der Spaltweite ist. Allerdings wird der Druckabfall auch eine nach innen
gerichtete Fluidstromkomponente in Übereinstimmung mit Gleichung (2) erzeugen, weshalb zum Erzielen einer
vollständigen Dichtwirkung die Ausströmmenge des Fluids gleich oder größer der insgesamt auftretenden
Einströmmenge gewählt werden muß. Durch geeignete Wahl der Form der Kurvenfläche, deren Breite sowie
der Spaltweite ist es möglich, das einströmende und das ausströmende Fluid für bestimmte Druckvorgaben
gegeneinander auszugleichen.
Es bestünde sogar die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Prinzip auch dahingehend anzuwenden, daß man
insgesamt ein Eintreten oder ein Austreten von Fluid durch den Spalt zuläßt, entweder durch die Innen- oder
durch die Außenwelt der Kurvenfläche des Stators, um hierdurch einen Pumpeffekt ähnlich der Wirkung einer
Zentrifugal- oder Zentripedalpumpe zu erreichen. In diesen Fällen müssen Öffnungen auf der Innenseite und
Außenseite der Kurvenfläche vorgesehen werden, die als Einlasse und als. Auslässe für das zu pumpende Fluid
dienen können. Solche Pumpen können dann von großem Wert sein, wenn eine Verschmutzung des Fluides
unter allen Umständen verhindert werden muß. Da in diesem Fall kein mechanischer Kontakt zwischen dem
rotierenden Teil einer solchen »Pumpe« gegeben ist, können auch keine Festkörperpartikel abgerieben werden
und auf diesem Weg in das Fluid gelangen. Eine vorteilhafte Möglichkeit für den Einsatz einer solchen Pumpe
könnte in deren Verwendung als Blutpumpe bei Herz- oder Nierenoperationen sein, bei denen jegliche Art einer
Verunreinigung des Fluids tötliche Folgen haben kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Dichtanordnung kann man sowohl die Oberfläche des
Rotors glatt und eben und die des Stators in Form der geschlossenen Kurvenfläche oder auch umgekehrt
ausbilden.
Wird die Oberfläche des Rotors glatt und eben und die des Stators in Form der geschlossenen Kurve
ausgebildet, dann ist es besonders empfehlenswert, daß die Oberfläche des Stators in Form eines Kreisringes
gleicher Breite ausgebildet ist, dessen Mittelpunkt um einen Abstand vom Mittelpunkt der Oberfläche des
Rotors versetzt ist, wobei die Statoroberfläche durch einen kleinen Spalt einer Weite h für all die Punkte auf ihr,
die auf einer Seite einer durch die Mittelpunkte der Oberflächen des Rotors und des Kreisringes gelegten
Geraden liegen, und durch einen größeren Spalt einer Weite H für alle anderen Punkte, die auf der anderen Seite
dieser Geraden liegen, von der Oberfläche des Rotors getrennt ist.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn bei einer erfindungsgemäßen Dichtanordnung Mittel zum Verändern der
Spaltenweite zwischen den Oberflächen von Rotor und Stator vorgesehen sind. Hierfür lassen sich alle geeigneten
Mittel einsetzen, besonders vorzugsweise wird dabei jedoch die Oberfläche des Stators einstückig mit einem
ringförmigen Körper verbunden, der axial relativ zur Oberfläche des Rotors hin beweglich ist und mittels einer
Elastizität, vorzugsweise einer Schraubenfeder, gegen die Oberfläche des Rotors hin vorgespannt wird.
Unter bestimmten Einsatzbedingungen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn der Rotor auf der Maschinenwelle
axial beweglich angeordnet und mittels einer Elastizität wiederum vorzugsweise mittels einer Schraubenfeder,
gegen die Oberfläche des Stators hin vorgespannt ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Dichtanordnung besteht darin, daß die
Oberfläche des Stators in Form von zwei oder mehr gleichen Kreisringabschnitten als Kurvenfläche ausgebildet
ist. wobei die Kreisringabschnitte zusammen eine geschlossene Kurvenfläche ausbilden und an ihren Enden
ineinanderlaufen, und daß die Kurvenfläche von der Oberfläche des Rotors, jeweils abwechselnd durch größere
und kleinere Spaltweiten entfernt ist, derart, daß sich jeweils eine solche Spaltweite über je eine Hälfte eines
Kreisringabschnittes erstreckt, woran sich dann anschließend über die andere Hälfte desselben Kreisringabschnittes
die andere Spaltweite anschließt.
Die Erfindung setzt das Prinzip ein, daß zwischen einer nicht-rotationssymmetrischen, geschlossenen Kurvenfläche
einerseits und einer in einem Abstand von ihr angeordneten anderen ebenen Fläche andererseits dann,
wenn eine der beiden Flächen bewegt und die andere feststeht, in einem Fluid innerhalb des Spaltes an jeder
Stelle unterschiedliche Strömungsverhältnisse derart ausbilden, daß dabei insgesamt sowohl ein Fluidstrom von
der Innen- nach der Außenseite der in sich geschlossenen Kurvenfläche als auch umgekehrt auftritt. Herrschen
nun unterschiedliche Drücke im Bereich innerhalb und außerhalb der geschlossenen Kurvenfläche, dann kann
das erfindungsgemäß erkannte Prinzip durch geeignete Wahl der Spaltweiten so eingesetzt werden, daß entweder
ein vollständiger Ausgleich zwischen dem nach außen aus der geschlossenen Kurvenfläche austretenden und
dem in sie von außen her eintretenden Fluidstrom erzielt wird oder daß gar ein gewünschter Gesamtaustritt
bzw. Gesamteintritt von Fluid bezüglich des innerhalb der geschlossenen Kurvenfläche liegenden Raumes
erreicht werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber im Prinzip noch näher erläutert. Es
zeigt
F i g. 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Dichtanordnung mit einer exzentrisch gelagerten
kreisförmigen Statoroberfläche;
F i g. 2 einen Schnitt längs B—B aus F i g. 1 zur Darstellung der Geometrie für die Fließverhältnisse zwischen
Rotor und Stator;
F i g. 3 eine Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung mit einer
Statoroberfläche, die symmetrisch zur Rotoroberfläche angeordnet ist; F i g. 4 einen Schnitt längs C—Cin F i g. 3, und
F i g. 5 eine Draufsicht auf eine weitere Ausgestaltung für eine Statoroberfläche bei einer erfindungsgemäßen
Dichtanordnung.
In den F i g. 1 und 2 ist ein Rotor 1 dargestellt, der an einer Maschinenwelle 3 befestigt ist und, wie durch einen
Pfeil dargestellt, sich in Uhrzeigerrichtung dreht. Der Rotor 1 ist vom Stator 2 durch einen Spalt getrennt, der
längs seines halben Umfanges eine Spaltweite h und längs der anderen Hälfte seines Umfanges eine Spaltweite
H aufweist Der Stator 2 ist in Form einer Kreisringfläche mit einem mittleren Radius R und einer Breite L
ausgeführt wie dies in F i g. 2 dargestellt ist, worauf verwiesen wird.
Der Mittelpunkt des Stators 2 ist zum Mittelpunkt des Rotors 1 um eine Exzentrizität e versetzt exzentrisch
angeordnet wobei die Mittelpunkte des Rotors 1 und des Stators 2 auf einer Durchmesserlinie A —A angebracht
sind. Betrachtet man die obere Hälfte von F i g. 2, d. h. den oberhalb der Schnittlinie A -A liegenden Abschnitt
der Figur, und insbesondere Punkt D auf dem Stator 2, dann wird ersichtlich, daß jeder Punkt des Rotors 1 auf
einem Radius R sich mit einer Geschwindigkeit v, die von der Innenseite zur Außenseite der Statoroberfläche
gerichtet ist, bewegt. Dies führt dazu, daß das Fluid im Spalt über die Breite des Stators 2 hinweg mit einer
Geschwindigkeit vr bewegt wird, wobei vrdie Komponente der Geschwindigkeit ν in Richtung des Radius R des
Stators 2 darstellen soll.
Aus der Figurendarstellung kann weiterhin gesehen werden, daß bei jedem Punkt in der oberen Zeichnungshälfte der F i g. 2, d. h. oberhalb der Schnittlinie A —A, ein nach außen gerichteter Geschwindigkeitsvektor (wie
beschrieben) vorliegt, der bis auf den Wert 0 hin abnimmt, wenn der betreffende Punkt die Linie A —A schneidet.
Gleichermaßen ist erkennbar für den Abschnitt aus Fig.2, der unterhalb der Linie A-A liegt und dort den
Punkt D' aufweist (unterhalb der Schnittlinie A —A), daß dort an jedem Punkt der Vektor v'der Rotorgeschwindigkeit
nach innen, d. h. von der Außenseite zur Innenseite der Statoroberfläche hin gerichtet ist. Wenn man nun
die Spaltweite Wim Abschnitt oberhalb der Linie A —A in F i g. 2 größer ausbildet als die Spaltweite Λ unterhalb
dieser Linie, dann wird bei zwei Punkten, die symmetrisch bezüglich der Linie A —A in den beiden Hälften des
Rotors liegen, ein größeres Fluidvolumen nach außen (in der oberen Hälfte) als nach innen (in der unteren
Hälfte) bewegt. Der netto nach auswärts fließende Fluidstrom läßt sich analytisch durch entsprechende Anwendung
von Gleichung(l) — siehe oben — wie folgt erfassen: |
d<?, -dQi-dQi'. (3) 15
Die Gleichung (3) führt nach Integrierung über den Statorumfang zu: |
Qt = w e ■ R(H-h). (4) 20 |
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich nur auf eine Ausführungsform für die Erfindung, nämlich auf eine |
solche, die sich auf einen Rotor 1 mit glatter Oberfläche bezieht, und auf eine Statoroberfläche, die in Form einer §
geschlossenen Kurve ausgebildet ist. Zum selben Ergebnis kann man aber auch gelangen, wenn man die %
Aufgaben des rotierenden und des stationären Teils miteinander vertauscht, da der vorstehend beschriebene 25 '·'+
Effekt auf die Relativgeschwindigkeit zwischen Stator und Rotor zurückzuführen ist. ?■
In einer alternativen Ausführungsform kann man daher den Stator auch mit einer glatten, ebenen Oberfläche |
ausbilden, während der Rotor mit einer erhabenen und geschlossenen Kurve an seiner Oberfläche versehen ist, $
wobei diese Kurve von der Statoroberfläche durch einen Spalt getrennt ist, dessen Weite unterschiedlich ist in
Übereinstimmung mit dem relativen Geschwindigkeitsvektor an jedem Punkt der Kurve, wie weiter oben für 30 K
das andere Ausführungsbeispiel im Prinzip ausgeführt. pj
Der Fluidfluß durch den Spalt ergibt sich als Differenz zwischen den Fluidströmen, die nach auswärts und nach fe
einwärts gerichtet sind, entsprechend dem Druckgradienten P\—P2 (vgl. Gleichung (2) weiter oben). Demgemäß §
läßt sich der resultierende Gesamtfluß Q durch den Spalt berechnen zu
Q = R (H-h)w -e-π- R (H3 + tf) ■ (Px-P2)IU ■ \i ■ L. (5)
Bei vorgegebenen Einsatzbedingungen, etwa bei einer Druckdifferenz Pi-P2, einer Rotationsgeschwindigkeit
w und einer Viskosität μ des Fluides, kann eine Dichtungsgeometrie, welche die Werte für H, h, L und e
erfaßt, so ausgewählt werden, daß Q entweder den Wert Null oder einen positiven Wert einnimmt, wodurch ein
Fluidstrom von der Hochdruckzone zur Niederdruckzone verhindert wird.
F i g. 1 zeigt auch einige konstruktive Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Endflächen-Dichtanordnung.
Der Stator 2 weist eine kreisringförmige Formgebung mit einer zylindrischen Bohrung auf und ist in axialer
Richtung längs einer zylindrischen Nabe 5 verschieblich, die als innenliegender Vorsprung eines Gehäuses 4
ausgeformt ist Die zylindrische Oberfläche der Nabe 5 ist exzentrisch zur Achse der Welle 3 um einen Abstand e
(Exzentrizität) versetzt, wodurch sich die exzentrische Lage des Stators 2 ergibt. Dabei werden die beiden Teile
gegenseitig gegen das Eindringen von Fluid durch eine ringförmige Dichtung (Ringdichtung) oder einen O-Ring
6 abgedichtet Weiterhin ist eine Schraubenfeder 7 vorgesehen, welche den Stator 2 in Richtung auf die
Oberfläche des Rotors 1 hin drückt Anstelle der Schraubenfeder 7 kann jedoch auch jede andere geeignete
Einrichtung zum Andrücken des Stators 2 in Richtung auf die Rotoroberfläche vorgesehen werden, wie etwa
eine Druckdose, ein Faltenbalg, ein Federungsblech oder eine Serie geeignet verteilter kleiner Druckfedern. Es
soll auch darauf hingewiesen werden, daß bei der Darstellung der Spaltweiten Hund h in der Zeichnung und des
Unterschiedes zwischen beiden Größen aus Gründen einer besseren und klareren Darstellung viel größere
Weiten ur.d Unterschiede dargestellt sind, als diese in Praxis, wo es sich nur um Bruchteile von Millimetern
handelt, auftreten.
Die Flächendichtung, die in den F i g. 3 und 4 dargestellt ist, ist im wesentlichen identisch mit der aus den F i g. 1
und 2, mit Ausnahme der Tatsache, daß hier die Statorfläche 2a symmetrisch relativ zur Wellenachse angeordnet
ist, was zu einer ausgeglichenen Druckverteilung auf dem Rotor 1 führt Die Statorfläche (»Statorkurve«) 2a ist
aus zwei zusammenlaufenden Kreisbögen zusammengesetzt, die ihrerseits von der Oberfläche des Rotors 1 über
zwei weite Spalte Hx und zwei enge Spalte h\ getrennt sind (vgl. F i g. 3). Die in F i g. 4 dargestellte Fließrichtung
des Fluids entspricht einer Drehung des Rotors 1 in Uhrzeigerrichtung (wie durch den Pfeil dargestellt). Eine
noch andere Ausbildung der Statorfläche ist in F i g. 5 dargestellt;, die Statorfläche hat hier einen symmetrisch
zur Rotorachse angeordneten Kurvenverlauf und ist aus vier Kreisbögen zusammengesetzt
Wie bei den vorhergehenden Figuren bereits dargestellt, ist jeder der vier Kreisbögen jeweils mit einem
Oberflächenabschnitt, der von der Rotoroberfläche durch einen engen Spalt getrennt ist, und mit einem Oberflächenabschnitt
der von der Rotoroberfläche durch einen weiteren Spalt getrennt ist, versehen. Es ist durchaus
möglich, auch noch andere Ausgestaltungen für die Form der Statorfläche zu finden, wobei sich insbesondere
verschiedene Kombinationen aus gleichen Kreisbögen einsetzen lassen, deren jeder, wie vorstehend erwähnt,
Exzentrizität e | = 21 mm |
Breite L | = 4 mm |
große Spaltweite H | = 0,018 mm |
enge Spaltweite Λ | = 0,010 mm |
Viskosität des Fluids | = 0,030 Pa ■ see. |
Winkelgeschwindigkeit w | = 100 rad/sec. |
einen Spaltabschnitt mit kleiner Weite Λ und einen Spaltabschnitt mit größerer Weite H zur Rotoroberfläche
ausbildet. Die für einen bestimmten Einsatzfall zu treffende Wahl wird im wesentlichen abhängig sein von den
gegebenen Herstellmöglichkeiten sowie von anderen Überlegungen.
Wenn bei geringen Geschwindigkeiten und bei Stillstand ein unerwünschtes Austreten von Fluid verhindert
werden muß, kann die erfindungsgemäße Dichtung mit einem Schutzelement versehen werden, etwa mit einem
Ring S(vgl. F i g. 5), der entweder innerhalb der geschlossenen Statorkurve oder der diese umgebend angeordnet
ist und der von der gegenüberliegenden Oberfläche durch einen Spalt der Weite h oder geringer entfernt ist.
Bei einem praktisch ausgeführten Versuch, der mit einer kreisringförmigen Enddichtung durchgeführt wurde,
und bei dem ein Druckunterschied von 11 kp/cm2 erzielt wurde, hatte die Dichtung die nachfolgend angegebenen
Dimensionen und arbeitete unter den folgenden Einsatzbedingungen:
Um einen Austritt des Fluids durch die Dichtung trotz des Druckgefälles zu verhindern, ist es erforderlich, die
Spaltweite in Abhängigkeit von der Änderung der Druckverhältnisse einzustellen. Dies kann dadurch erreicht
werden, daß man in geeigneter Form Dimensionen und Eigenschaften der Schraubenfeder 7 (F i g. 1) berechnet
bzw. auswählt. Eine andere Möglichkeit besteht auch darin, den Stator mit einem mechanischen oder hydraulischen
Mechanismus zu verbinden, der dafür eingerichtet ist, den Stator axial in Richtung auf die Rotorfläche hin
oder von dieser weg zu bewegen, wobei dies abhängig von einem Signal ausgelöst werden kann, das von einem
Sensor erhalten wird, wobei dieser Sensor auf Druckänderungen oder Änderungen der Fluidgeschwindigkeit
anspricht.
Wenn im vorhergehenden nur Ausgestaltungen der Statoroberfläche beschrieben wurden, so ist die Erfindung
hierauf nicht beschränkt: es besteht sehr wohl die Möglichkeit, eine Vielzahl anderer Arten von Statorausbildungen
(»Statorkurven«) für denselben Zweck einzusetzen, wobei nach der Erfindung die Bedingung erfüllt sein
muß, daß nämlich wechselseitige Spannungen bzw. Kräfte auftreten müssen, bei denen die Geschwindigkeitsvektoren hinsichtlich der geschlossenen Statorfläche einmal nach innen und einmal nach außen gerichtet sein
müssen. Die geschlossene Statorfläche muß dabei nicht notwendigerweise eine symmetrische Formgebung
aufweisen, weder bezüglich ihrer eigenen Halbierungslinie, noch bezüglich der Rotorachse. Aber es versteht sich
von selbst, daß eine symmetrische Formgebung für die Statorfläche, wie z. B. in F i g. 4 dargestellt, zu einer
symmetrischen Belastung des Rotors führt, was für den Ausgleich der rotierenden Teile von Vorteil ist.
Anstelle gleichmäßiger Spaltweiten h und //längs eines vollständigen Bogens der geschlossenen Statorkurve
ist es auch möglich, die Spaltweite entsprechend den Änderungen der Vektorkomponente vr(Fig. 2) zu- und
abnehmen zu lassen.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Berührungslose Endflächen-Dichtanordnung für eine Rotationsmaschine, die einen auf einer drehbaren
Maschinenwelle angeordneten Rotor und einen mit einem Maschinengehäuse verbundenen Stator aufweist,
wobei Rotor und Stator einander gegenüberliegende glatte und vorzugsweise ebene Oberflächen aufweisen,
die durch einen Spalt voneinander getrennt sind, der über seinen Verlauf wenigstens zwei unterschiedliche
Spaltweiten aufweist dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Oberflächen glatt und eben
ausgebildet, ist, während die andere die Form einer in sich geschlossenen Kurvenfläche (2; 2a) ausbildet,
innerhalb deren Innenseite die drehbare Maschinenwelle (3) angeordnet ist und deren Außenseite innerhalb
der Kontur der anderen Oberfläche (1) liegt, daß die geschlossene Kurvenfläche (2; 2a) eine Unterteilung
zwischen einer Zone höheren und eine" Zone niedrigeren Druckes ausbildet und eine solche Formgebung
aufweist, daß die Tagente an einen beliebigen Punkt (D; DJ aus der Kurvenfläche (2; 2a^mit dem Vektor (v;
v') der im jeweiligen Punkt gegebenen Geschwindigkeit einen (positiven oder negativen) spitzen Winkel
einschließt, und daß die Spaltweite (h, H;h\, Hi) zwischen beiden Oberflächen bei den Punkten innerhalb der
Kurvenfläche (2; 2a), deren Geschwindigkeitsvektoren (v') eine von der Zone höheren Druckes zu der
niedrigeren Druckes hin verlaufende Richtung aufweisen, kleiner als bei den Punkten ist, deren Geschwindigkeitsvektoren
(v) eine von der Zone niedrigeren Druckes zu der höheren Druckes hin verlaufende Richtung
aufweisen.
2. Dichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Rotors (1) glatt und
eben und die des Stators (2) in Form der geschlossenen Kurve ausgebildet ist
3. Dichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Oberfläche des Stators (2) glatt und
eben und die des Rotors (1) in Form der geschlossenen Kurve ausgebildet ist
4. Dichtanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Oberfläche des Stators (2) in Form
eines Kreisringes gleicher Breite (L) ausgebildet ist, dessen Mittelpunkt um einen Abstand (e) vom Mittelpunkt
der Oberfläche des Rotors (1) versetzt ist wobei die Oberfläche des Stators (2) durch einen kleinen
Spalt einer Weite (h) für den Abschnitt von ihr, der auf einer Seite einer durch die Mittelpunkte der
Oberfläche des Rotors (1) und des Kreisringes (2) verlaufenden Geraden (A-A) liegt, und durch einen
größeren Spalt einer Weite (H) für den anderen, auf der anderen Seite der Gerade (A-A) liegenden Abschnitt
von der Oberfläche des Rotors (1) getrennt ist.
5. Dichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (7) zum
Verändern der Spaltweite zwischen den Oberflächen von Rotor (t) und Stator (2) vorgesehen sind.
6. Dichtanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß die Oberfläche des Stators (2)
einstückig mit einem ringförmigen Körper verbunden ist, der axial relativ zur Oberfläche des Rotors (1) hin
beweglich ist und mittels einer Elastizität (7) gegen die Oberfläche des Rotors (1) hin vorgespannt wird.
7. Dichtanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Elastizität eine Schraubenfeder (7)
vorgesehen ist.
8. Dichtanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) auf der Maschinenwelle
(3) axial beweglich angeordnet und mittels einer Elastizität gegen die Oberfläche des Stators (2) hin vorgespannt
ist.
9. Dichtanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Stators (2) in Form
von zwei oder mehr gleichen Kreisringabschnitten ausgebildet ist, die zusammen eine geschlossene Kurvenfläche
ausbilden und an ihren Enden miteinander verbunden sind, und daß die Kurvenfläche von der
Oberfläche des Rotors (1) durch abwechselnd größere und kleinere Spaltweiten entfernt ist, wobei sich
jeweils eine solche Spaltweite über je eine Hälfte eines Kreisringabschnittes erstreckt.
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