DE3545281A1 - Gleitringdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtung zwischen rotierenden Maschinenteilen nach Art einer Gleitringdichtung zum Ab­ dichten aus einem mit Druck beaufschlagten Raum austreten­ der Welle mittels Ring mit Dichtungsfläche und Gegenlauf­ ring in dichtende Anlage bringbar, wobei zur Kühlung und Reibungsminderung der Gleitringdichtung ein Fluid durch Fliehkräfte über zu den Dichtungsflächen führende Kanäle in Umlauf gebracht wird.

Eine solche Dichtung ist z.B. bekannt, aus der deutschen Auslegeschrift 12 12 800 und aus der deutschen Offen­ legungsschrift 31 19 467.

Bei der an erster Stelle genannten bekannten Lösung ist eine Kreiselpumpe erforderlich die mit einem System von Saug- und Druckkanälen in Verbindung steht. Dies sei be­ sonders wichtig beim Pumpen von Gas, bei dem das Problem der Abnützung und des daraus folgenden Fressens besonders wichtig ist.

Aus der an zweiter Stelle genannten bekannten Lösung ist ein gasdynamisches Lager unter Verwendung eines Gaspolsters (liftpad) zur Erzeugung eines gasdynamischen Schmier­ keiles bekannt. Zur Aufrechterhaltung desselben wird eine periodisch gleichförmig gewellte Gleitfläche am Gegenring vorgeschlagen.

Bei beiden bekannten Lösungen werden axial wirkende Feder­ elemente dazu benutzt, Ringe in gegenseitig abdichtende An­ lage zu bringen. Zwischen rotierenden Maschinenteilen sind die Einsatzmöglichkeiten solcher Federelemente aufgrund ihrer Kennlinien begrenzt.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Zwischenwellen­ dichtung zu schaffen, bei der die Anpreßkräfte auf Dichtelemente aus den im Betrieb wirkenden Fliehkräften abgeleitet sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine primäre Dichtstelle an der der Gegenlaufring in axialer Richtung gegen den Gleitring unter Fliehkraft und eine sekundäre Dichtstelle an der Kolbenringe gegen eine äußere Welle unter Vor­ spannung einer Feder in radialer Richtung anpreßbar ist, durch eine axiale oder radiale Kraftkomponente die sich aus einer Keilwirkung ergibt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteran­ sprüchen enthalten. Die wesentlichsten Vorteile der Er­ findung sind folgende:

• 1. Die erfindungsgemäße Dichtung ist für beide Dreh­ richtungen von Wellen sowohl im Gleich- als auch im Gegenlauf anwendbar.
• 2. Die Anpreßkräfte die auf die Dichtelemente wirken, sind im wesentlichen aus den Fliehkräften, die im Betrieb auftreten, abgeleitet.
• 3. Bei Relativbewegungen zweier rotierender Wellen in radialer Richtung - z.B. hervorgerufen durch Schwingungen, Unwucht, Lagerspiel - wird der Dicht­ spalt nicht beeinflußt.

Die axiale Anpreßkraft des Gleitringes ist durch die Größe des Keilwinkels β vorwählbar.

Die radiale Anpreßkraft des Gleitringes ist durch die Größe des Keilwinkels α vorwählbar.

Diese jeweiligen Keilwinkel bestimmen die Kraftkomponenten welche in axialer und radialer Richtung wirksam werden.

Das übertragbare Drehmoment an der Sekundärdichtung ist immer größer als die Summe der Reibmomente.

Die axiale Anpreßkraft ist immer größer als die Summe der Kräfte aus der Druckbeaufschlagung der Dichtung und der axialen Verschiebekraft.

Der Zusammenbau der Dichtung ist sehr einfach, weil alle Dichtungsteile auf einer Welle montiert sind.

Weiter vereinfacht ist die Montage dadurch, daß alle Dichtungsteile in einer zylindrischen Bohrung der äußeren Hohlwelle eingebaut sind.

Weitere Vorteile und Merkmale sind der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispieles zu entnehmen.

Die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt, sie umfaßt vor allem alle Kombinationen und Unterkombinationen der beanspruchten, beschriebenen und dargestellten Merkmale sowohl untereinander als auch mit an sich bekannten Merk­ malen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Wellenan­ ordnung mit Dichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 eine Einzelheit B in Fig. 1,

Fig. 4 eine Anwendung der Erfindung bei einer Gasturbine.

Wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt, sind auf einer inneren Welle 1 in Form einer Hohlwelle ein Trägerring 2, ein Verteilerring 3 für das fluide Kühl­ mittel und ein zweiter Trägerring 4 fest montiert. Im Trägerring 2 ist ein Gleitring 5 befestigt der z.B. aus Kohlenstoff, Graphit o.ä. besteht und mit einem Gegen­ laufring 6 die primäre Dichtstelle 7 bildet. Auf der gegen­ überliegenden Seite des Gegenlaufringes 6 befinden sich Gleitringsegmente 8 aus dem gleichen Werkstoff wie Ring 5, in beliebiger Anzahl, gleichmäßig über den Umfang ver­ teilt, auf einem geschlitzten Federring 9 angeordnet, so daß sie im Betrieb radial nach außen gegen eine Keilfläche 17 des Trägerringes 4 gedrückt werden. Durch diese Keilfläche ergeben sich Kraftkomponenten in axialer Richtung die den Gegenlaufring 6 am Gleitring 5 zum Anliegen bringen. Wie die Gleitringsegmente 8 auf dem Federring 9 befestigt sind, läßt sich besonders deutlich aus dem Querschnitt in Fig. 1 ersehen, aber auch aus Fig. 2. Die Gleitringsegmente 8 sind über Stifte 15 mit der Keil­ fläche 17 des Trägerrings 4 verbunden. Die Zylinder­ stifte 15 wirken als Mitnehmer in Umfangsrichtung, sind in der Keilfläche 17 des Trägerrings 4 fest montiert und greifen lose in die Gleitringsegmente 8, hier in den Spalt jeweils zwischen zwei Gleitringsegmenten ein (siehe Fig. 2).

Der Gegenlaufring 6 ist mit Kolbenringen 10 und 11 ver­ sehen (siehe Einzelheit B in Fig. 3) die radial nach außen gegen die Hohlwelle 13 federnd sich anlegen und mit ihr die sekundäre Dichtstelle 14 bilden. Der Feder­ ring 12 sorgt durch seine radiale Vorspannung dafür, daß die beiden Kolbenringe 10, 11 über Keilflächen 10 a und 11 a an den damit korrespondierenden Keilflächen des Feder­ ringes 12 anliegen und angepreßt werden mit einer ent­ sprechenden Kraftkomponente. Die Anpreßkraft der Kolben­ ringe kann durch die Wahl des Keilwinkels α variiert werden. Der Gegenlaufring 6 ist somit kraftschlüssig mit der Hohlwelle 13 verbunden und läuft gemeinsam mit ihr um.

Durch die Rotation der äußeren Hohlwelle 13 treten Fliehkräfte an den Ringen 10, 11 und 12 auf, wodurch auch höhere Anpreßkräfte zwischen der Hohlwelle 13 und Kolbenring 10, 11 bzw. zwischen dem Kolbenring und dem Gegenlaufring 6 entstehen. Mit zunehmender Drehzahl erhöht sich das übertragbare Drehmoment an der Sekundär­ dichtung 14. Es muß immer höher sein als die Summe der Reibmomente die an den Gleitflächen des Gegnelaufringes 6 auftreten.

Durch die Rotation der inneren Welle 1 sind u.a. auch die Gleitringsegmente 8 und der Federring 9 Fliehkräften ausge­ setzt. Diese Fliehkräfte werden an der Keilfläche 17 des Trägerringes 4 in Kraftkomponenten senkrecht zur Dreh­ achse und in solche in axialer Richtung, also parallel zur Drehachse, zerlegt. Die daraus resultierende axiale Kraftkomponente drückt den Gegenlaufring 6 gegen den Gleitring 5 an der primären Dichtstelle 7. Die Anpreß­ kraft muß dabei immer größer sein als die Summe der Kräfte die sich aus der Druckbeaufschlagung (Δ ρ) und der axialen Verschiebbarkeit des Gegenlaufringes 6 gegenüber der Hohlwelle 13 ergeben. Beaufschlagt wird die Dichtung von einer Druckdifferenz P₁ minus P₂, wobei angenommen wird, daß P₁ in Fig. 1 von links einwirkender Gasdruck höher ist als der Druck P₂ im Raum rechts von der Dichtung, hier innerhalb der Hohlwelle 13. Die Anpreßkraft ist also die Gegenkraft gegen die axiale Verschiebekraft des Gegen­ laufringes 6 und die der Druckdifferenz entsprechenden Kräfte. Die Anpreßkraft kann durch die Wahl des Keil­ winkels β vorherbestimmt werden. Es ist somit sicher­ gestellt, daß die Primärdichtung 7 bei allen möglichen Relativbewegungen zwischen den Wellen 1 und 13 dicht geschlossen bleibt, insbesondere an der radial sich erstreckenden Gleitfläche an den außen liegenden Seiten des Ringes 6 an denen sich eine senkrechte Gleitfläche des Ringes 5 und des Ringelementes 8 anlegt und anpaßt.

Die Führung der Dichtung erfolgt in der Weise, daß am Gegenlaufring 6 Bohrungen 16 vorgesehen sind, die möglichst nahe den besagten Gleitflächen angeordnet sind. Die Kühlmittelzufuhr erfolgt z.B. aus einer Lagerkammer oder einem Umlaufsystem über Bohrungen 18 in der Welle 1 und 19 im Verteilerring 3. Der Verteilerring 3 ist auf der Welle 1 angeordnet zwischen den Trägerringen 2 und 4 und alle drei Bauelemente sind von dem Befestigungselement 20 axial festgelegt und festgehalten.

In dem Gegenlaufring 6 werden vor dem Einsetzen in die Bohrung der Hohlwelle 13 die Kolbenringe 10 und 11 sowie der Federring 12 eingebaut. Der Gleitring 5 ist im Träger­ ring 2 montiert und die Gleitringsegmente 8 zusammen in dem keilförmigen Teilen 17 des Trägerrings 4 und zwar radial innerhalb desselben und mit der Anpreßfläche der dem Ring 5 gegenüberliegenden Gleitfläche des Ringes 6 zugekehrt.

Infolge der Fliehkrafteinwirkung auf die Keilflächen 17, 10 a und 11 a wird die Dichtung primär in axialer Richtung und sekundär in radialer Richtung stets geschlossen ge­ halten.

Abwandlungen des dargestellten und beschriebenen Aus­ führungsbeispiels sind selbstverständlich möglich, ohne hierdurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind vorhanden weitgehende Gestaltungs­ möglichkeiten bei der Wahl der Ringe bzw. Ringsegmente, den Federmaterialien und den Werkstoffen und der Gleit­ flächengestaltung der Ringe. Auch gut gleitende Be­ schichtungen sind anwendbar. Die Zahl der Wellen zwischen denen Dichtungen der in Rede stehenden Art ausgeführt werden ist nicht beschränkt.

Insbesondere Fig. 4 zeigt ein Gasturbinentriebwerk in Mehrwellenanordnung mit einer Stufe eines Turbinenrotors mit Laufschaufeln 21 gelagert in einem Lagerrahmen 22 der sich abstützt auf inneren drehenden Teilen 23, 24 wie z.B. Hohlwellen die über die Gleitringdichtung nach Fig. 1 abgestützt sind auf der inneren Welle 1.

Claims (12)

1. Dichtung zwischen rotierenden Maschinenteilen nach Art einer Gleitringdichtung für eine aus einem Druck­ raum austretende Welle, bei der ein Ring mit Dichtungs­ fläche und Gegenlaufring in dichtende Anlage bringbar sind, wobei zur Kühlung und Reibungsminderung ein Fluid durch Fliehkräfte über zu den Dichtungsflächen führende Kanäle in Umlauf gebracht wird, gekennzeichnet durch eine primäre Dichtstelle (7) an der der Gegen­ laufring (6) in axialer Richtung gegen einen Gleit­ ring (5) unter Fliehkraft und eine sekundäre Dicht­ stelle (14) an der Kolbenringe (10, 11) gegen eine äußere Welle (13) unter Vorspannung einer Feder (9) in radialer Richtung anpreßbar sind, mittels einer axialen und radialen Kraftkomponente welche durch Keilwirkung hervorgerufen werden.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Anpreßkraft des Gleitringes (5) und die des Gegenlaufringes (6) gegeneinander durch die Größe des gewählten Keilwinkels (β) an Gleitring­ segmenten (8) voreinstellbar ist.

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die radiale Anpreßkraft an die äußere Hohlwelle durch die Größe des gewählten Keilwinkels (α) an den Kolbenringen (10-12) voreinstellbar ist.

4. Dichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das übertragbare Drehmoment an der Sekundärdichtung (14) immer größer ist als die Summe der Reibmomente die an den Gleitflächen des Gegenlaufringes (6) auftreten.

5. Dichtring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die axiale Anpreßkraft (Abdichtkraft) an der primären Dichtstelle (7) immer größer ist als die Summe der Kräfte aus ihrer Druckbeaufschlagung P ₁-P ₂ (Δ p) und der axialen Verschiebekraft des Gegenlauf­ ringes (6) relativ zur äußeren Hohlwelle (13).

6. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitring Segmente (8) aufweist, die auf einem gemeinsamen Federring (9) angeordnet sind.

7. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitringsegmente (8) über Mitnehmer (15) mit einem Trägerring (4) verbunden sind.

8. Dichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Trägerring (4) und Gleitringsegmenten (8) Keilflächen angeordnet sind.

9. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen zwei (1, 13) relativ zueinander beweglichen Wellen, insbesondere zwischen zwei kontrarotierenden Wellen angeordnet ist.

10. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Gleitring (5) und Gegen­ laufring (6) auf einer einzigen Welle montiert sind.

11. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer zylindrischen Bohrung der äußeren Hohlwelle (13) eingesetzt ist.

12. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Gleit­ bewegung an der primären Dichtstelle (7) senkrecht zur Rotationsachse ist.