DE3607703C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine flüssigkeits­ getriebene Rotations-Antriebsmaschine mit einem zylindrischen Dich­ tungsgehäuse, in dem ein axial innerer, maschinenseitiger Dichtungs­ ring angeordnet und ein axial äußerer Dichtungsring drehfest gehalten sind, die an ihren voneinander abgewandten äußeren stirnseitigen Flächen abdichtend mit Flächen des Dichtungsgehäuses zusammenar­ beiten und zwischen sich einen Spalt bilden, in den von außen durch eine Bohrung des Dichtungsgehäuses eine Abdichtflüssigkeit unter Druck eingeleitet und in die Ringspalte zwischen den Dichtungsringen und der abzudichtenden Welle gedrückt wird, die von einem Kranz aus Lagerstücken umgeben ist, die gleitend auf der Welle angeordnet und in einem Lagerring drehfest gehalten sind, wobei der Lagerring mit radialem Abstand unter Bildung eines Ringraumes in dem Dich­ tungsgehäuse gelagert ist.

Die zwischen den beiden Dichtungsringen kranzförmig angeordneten Lagerstücke sollen eine Zwischenunterstützung für die Welle schaffen und dazu beitragen, den sich insbesondere bei hohen Wellendreh­ zahlen ergebenden Vibrationen zu begegnen.

Eine derartige Dichtungsanordnung ist aus der GB-PS 14 76 778 bekannt.

Bei der bekannten Ausbildung ist der axial innere Dichtungsring drehbar im Dichtungsgehäuse angeordnet. Der die Lagerstücke um­ gebende Lagerring ist als einstückig angeformter Fortsatz des axial äußeren Dichtungsrings ausgebildet. Der Ringraum zwischen dem Außen­ umfang des Lagerrings und dem Dichtungsgehäuse ist nicht unterteilt, so daß der Druck der Abdichtflüssigkeit gleichmäßig auf die gesamte Umfangsfläche des Lagerrings wirkt und somit keine direkte radiale Stützkraft auf die Welle ausübt. Vielmehr kommt eine entsprechende Stützkraft nur dadurch zustande, daß der axial äußere Dichtungsring durch den Druck der Abdichtflüssigkeit axial an das Dichtungsgehäuse angedrückt und daher reibungsschlüssig gegen radiale Verlagerungen gehalten ist. Dementsprechend kann auch der die Lagerstücke ab­ stützende Lagerring radiale Lagerkräfte bis zur Überwindung dieser Rei­ bungskraft aufnehmen.

Durch die genannten radialen Reibungskräfte wird der Lager­ ring mit den Lagerstücken in einer bestimmten Stellung festgehalten. Daher ist weder die freie radiale Einstellbarkeit des Lagerkranzes noch die Aufnahme radialer Lagerkräfte in der gewünschten Größe innerhalb des gesamten Betriebsbereichs gewährleistet.

In der DE-OS 25 19 689 ist bereits eine Dichtungsanordnung mit zwei Dichtungsringen offenbart, bei welcher der äußere Dichtungsring einen kleinen isolier­ ten Bereich am Außenumfang aufweist, der über einen Durchlaß zum Niederdruckbereich druckentlastet ist. Dementsprechend ist der den Dichtungsring umschließende Ringraum in zwei Kammern mit unterschiedlicher Druckbeaufschlagung unterteilt. Im Prinzip wird daher durch die unter Druck zugeleitete Abdichtflüssigkeit eine ra­ diale Kraft auf den Dichtungsring ausgeübt. Diese Radialkraft läßt sich jedoch nicht für eine Verbesserung der Wellenabstützung nutzen, weil auch in diesem Fall der Dichtungsring durch den Flüssigkeits­ druck axial abdichtend angedrückt und infolge der dadurch hervorge­ rufenen radialen Reibungskraft in einer bestimmten Stellung gehalten wird.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Dichtungs­ anordnung so auszubilden, daß sich der Kranz aus Lagerstücken bei der Aufnahme radialer Lagerkräfte stets in radialer Richtung auf die Welle bzw. deren Hauptlager einstellt und dabei innerhalb des gesamten Betriebsbereichs Vibrationen der Welle entgegenwirkt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

• - daß der axial innere Dichtungsring drehfest mit dem Dichtungsgehäuse verbunden ist,
• - daß der Lagerring zur Aufnahme der Lagerstücke als gehäuseartiger Ring ausgebildet ist und drehfest mit dem Dichtungsgehäuse ver­ bunden ist,
• - daß der Kranz aus den Lagerstücken von den Dichtungsringen getrennt ist und
• - daß der Ringraum mittels einer Dichtung in einer achsparallelen Ebene in zwei Segmentkammern unterteilt ist, von denen die eine mit einem Gehäusekanal für die Zuführung der Abdichtflüssigkeit und die andere über einen Lüftungskanal mit der Atmosphäre in Verbin­ dung steht.

Bei dieser Ausbildung wird der von den beiden axial angedrückten Dichtungsringen getrennte Lagerring nicht durch radiale Reibungskräfte beeinflußt. Er ist also nicht axial belastet. Wenn während des Anlaufens der Antriebsmaschine oder infolge einer Änderung der Antriebsbedingungen eine Änderung in der Ausrichtung zwischen den Lagern auftritt, kann sich der Lagerring frei in radialer Richtung bewegen, so daß die ge­ wünschte Vorspannkraft bzw. die radiale Lagervorspannung zu jeder Zeit eingehalten wird. Diese radiale Lagervorspannung ergibt sich in­ folge der Unausgeglichenheit der auf die Außenumfangsfläche des Lager­ rings einwirkenden Druckkräfte infolge des Druckunterschieds in den beiden Segmentkammern. Die Größe dieser radialen Lagervorspannung ist vom Druck der Abdichtflüssigkeit und der Aufteilung der Umfangsfläche des Lagerrings auf die Segmentkammern abhängig. Damit wird es möglich, innerhalb der Dichtungsanordnung die gewünschten radialen Lagerkräfte zu schaffen und hohe Drehgeschwindigkeiten der Welle zu ermöglichen. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­ findung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von sche­ matischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3a einen Längsschnitt nach der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 3b eine Unteransicht in Richtung des Pfeiles E in Fig. 3a,

Fig. 4a einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 4b eine Schnittansicht nach der Linie IV-IV in Fig. 4a,

Fig. 5 eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels,

Fig. 6 einen Längsschnitt einer Maschine mit Dichtungsanordnungen und

Fig. 7 eine Schnittansicht einer Dichtungs­ anordnung nach dem Stand der Technik.

In den Zeichnungen sind gleiche bzw. gleichartige Teile durchweg mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Eine Anwendungsmöglichkeit der Erfindung ist beispielsweise aus Fig. 6 ersichtlich. Dort sind in einem Turbinengehäuse 1 drehfest gehaltene Leitschaufeln angeordnet, die mit umlaufenden Schaufeln zusammenarbeiten, die auf einer Turbinenwelle 2 befestigt sind. An den Stirnenden des Turbinengehäuses 1 sind Wellenlager C, C angeordnet, die Lagerelemente 3 enthalten. Die Stirnenden des Turbinengehäuses sind mit Dichtungen D, D versehen, die in Dichtungsgehäusen 4 angeordnet sind und so wirken, daß keine Flüssigkeit aus dem Turbineninnern nach außen austreten kann. Außerdem sollen diese Dichtungen auch bei Auftreten von Quer- oder Biegeschwingungen der Welle 2 wirksam sein. Bei der hohen Drehzahl dieser Wellen und ihrem relativ kleinen Durchmesser treten solche Schwingungen leicht auf, und aus Sicherheitsgründen muß die Drehzahl auf einen Sicherheitswert beschränkt werden. Außerdem werden die Lager- bzw. Abdichtflächen der Dichtungs­ elemente stark beansprucht und gegebenenfalls zerstört.

Um Abhilfe zu schaffen, hat man bisher entweder den Wellendurchmesser erhöht oder über die Länge der Welle verteilt mehrere Dichtungen angeordnet oder beide Maßnahmen vereint angewendet.

Eine Schnittansicht einer bekannten Dichtungsanordnung dieser Art zeigt Fig. 7.

In einem ringförmigen Dichtungsgehäuse 5 ist ein äußerer Dichtring 6 und ein innerer, maschinenseitiger Dichtring 7 angeordnet, deren Innenflächen auf dem Umfang der Welle gleiten und eine poröse, Öl aufnehmende und speichernde und keine Kräfte aufnehmende Beschich­ tung tragen.

Die Dichtringe 6, 7 sind mittels Paßstiften undrehbar in dem Dichtungsgehäuse 5 gehalten und weisen einen axialen Abstand ihrer benachbarten Stirnflächen auf. Außerdem weisen die Dichtringe 6, 7 an ihren äußeren Stirnflächen Dichtflächen auf, die mit radial verlaufenden Dicht­ flächen des Dichtungsgehäuses zusammenarbeiten.

Diese bekannte Dichtung vermag keine größeren Schwingungen der Welle 2 aufzunehmen. Die Erfindung schafft nun eine solche Dichtung, die leicht und ohne Schaden größere Schwingungen der Welle aufnehmen kann.

Fig. 1 bis 3b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dem Dichtungsgehäuse 4 sind axial hintereinander zwei Dichtungsringe, nämlich ein äußerer Dichtring 6 und ein innerer Dichtring 7 sowie dazwischen ein Kranz von Lagerstücken 9 angeordnet. Diese sind in einem Lagerring 8 gehalten. Die Dichtringe sind mit einer dem Stand der Technik entsprechenden Beschichtung versehen.

Das Dichtungsgehäuse 4 weist eine radiale Bohrung auf, die mit einem Gehäusekanal 1′ verbunden ist, durch den eine Dichtflüssigkeit (Öl) unter Druck zugeführt wird.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1. Bereits erläuterte Bezugsziffern bezeichnen jeweils die gleichen Teile. Mit der Ziffer "10" ist ein O-Ring aus Gummi oder dergl. bezeichnet, dessen Grundrißform sich aus der Ansicht nach Fig. 3b (Pfeilrichtung E in Fig. 3a) ergibt und der demnach in einer achsparallelen Ebene an der inneren Umfangswandung des Dichtungsgehäuses 4 anliegt. Die von dem O-Ring umschlossene Segmentkammer 12 zwischen den Lagerring 8 und dem Dichtungs­ gehäuse 4 ist über einen Lüftungskanal 11 mit der Außenluft verbunden. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß außerhalb des O-Rings 10 eine weitere Segmentkammer bzw. ein restlicher Ringraum zwischen dem Lagerring 8 und dem Dichtungsgehäuse 4 vorhanden ist.

Die Arbeitsweise dieser Dichtungsanordnung ist wie folgt:
Die unter Druck in das Dichtungsgehäuse 4 geführte Abdichtflüssigkeit verteilt sich entsprechend den Pfeilen in Fig. 1 und 2. Dabei wird auf den Lagerring 8 ein Differenzdruck gegenüber der Segmentkammer 12, d. h. dem äußeren Atmosphärendruck ausgeübt. Die Abdichtflüssigkeit drückt auf die inneren Stirnflächen der Dichtringe, die so gegen die Dichtflächen des Dichtungsgehäuses 4 angedrückt werden.

Der Kranz von Lagerstücken 9 ist mit seiner Ebene gegenüber der Achsrichtung bzw. der Achsnormalen schwenkbar.

Anstelle der dargestellten Dichtringe können auch andere, aber gleichartigen Typs verwendet werden.

Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4a und 4b dargestellt. Dieses unterscheidet sich dadurch, daß die Lage des Dichtrings 6 und des Kranzes von Lagerstücken 9 vertauscht ist. Die Abdichtflüssigkeit strömt dabei im Sinne der Pfeile in die obere Segmentkammer 12, während die untere Segmentkammer unter Atmosphärendruck steht. Somit wird eine radiale Differenzdruckkraft auf den Lagerring 8 ausgeübt.

Bei dem weiteren, in Fig. 5 dargestellten Ausführungs­ beispiel wird ein Dichtring 6 mit einer Lagermetall- Beschichtung, d. h. mit mechanischer Abdichtung, ver­ wendet. Im übrigen jedoch ist das gleiche Abdichtprinzip vorgesehen, nämlich durch höheren Druck im Dichtungsgehäuse 4 eine Abdichtung gegenüber dem Austritt eines Mediums aus dem inneren der Maschine zu schaffen. Ferner ist die Segmentkammer 12 immer mit der Atmosphäre verbunden. Eine Abgrenzung dieser Kammer erfolgt durch den O-Ring 10. Auf den Lagerring 8 wirkt somit immer der Differenzdruck, wobei der Kranz von Lagerstücken 9 gegen die Welle 2 gedrückt wird.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen dient das unter hohem Druck zugeführte Öl zum Abdichten und Schmieren, während die atmosphärische Luft das Niederdruck-Schmiermittel bildet. Es kann jedoch auf der Hochdruckseite eine andere geeignete Flüssigkeit verwendet werden und auf der Niederdruckseite eine andere Flüssigkeit die atmosphärische Luft ersetzen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Dichtungsanordnung zugleich auch ein Lager für die Turbinen­ welle bildet, das drei kinetische Unter­ stützungspunkte für die Welle aufweist. Es werden die Lagerstücke 9 zusammen mit dem Lagerring 8 nach unten gedrückt, während die eigentliche Abdichtung mittels der Dichtringe 6, 7 bewirkt wird. Diese letzteren verhalten sich somit wie hydrodynamische Lager für die Welle 2.

Die in Fig. 6 gezeigte Maschine weist bei Einbau der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnungen den gleichen hydro­ dynamischen Effekt auf, wie wenn die Lager an den Bereichen C, D, D und C angeordnet wären, wie dargestellt. Die Welle 2 hätte dann vier hydrodynamische Unterstützungspunkte.

Die Erfindung ermöglicht somit wegen des verwendeten kinetischen Prinzips eine höhere Wellendreh­ zahl bei gleichzeitig schlankerer Ausbildung der Welle als dies mit herkömmlichen Lagern möglich ist. Auf diese Weise können bei hoher Sicherheit hohe Drehzahlen gefahren werden.

Claims (8)

1. Dichtungsanordnung für eine flüssigkeitsgetriebene Rotations-Antriebs­ maschine mit einem zylindrischen Dichtungsgehäuse (4), in dem ein axial innerer, maschinenseitiger Dichtungsring (7) angeordnet und ein axial äußerer Dichtungsring (6) drehfest gehalten sind, die an ihren voneinander abgewandten äußeren stirnseitigen Flächen abdichtend mit Flächen des Dichtungsgehäuses (4) zusammenarbeiten und zwischen sich einen Spalt bilden, in den von außen durch eine Bohrung des Dichtungsgehäuses (4) eine Abdichtflüssigkeit unter Druck eingeleitet und in die Ringspalte zwischen den Dichtungsringen (6, 7) und der abzudichtenden Welle (2) gedrückt wird, die von einem Kranz aus Lagerstücken (9) umgeben ist, die gleitend auf der Welle (2) angeordnet und in einem Lagerring (8) drehfest ge­ halten sind, wobei der Lagerring (8) mit radialem Abstand unter Bildung eines Ringraumes in dem Dichtungsgehäuse (4) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der axial innere Dichtungsring (7) drehfest mit dem Dichtungs­ gehäuse (4) verbunden ist,
• - daß der Lagerring (8) zur Aufnahme der Lagerstücke (9) als gehäuseartiger Ring ausgebildet und drehfest mit dem Dichtungs­ gehäuse (4) verbunden ist,
• - daß der Kranz aus den Lagerstücken (9) von den Dichtungsringen (6, 7) getrennt ist und
• - daß der Ringraum mittels einer Dichtung (10) in einer achsparal­ lelen Ebene in zwei Segmentkammern (12) unterteilt ist, von denen die eine mit einem Gehäusekanal (1′) für die Zuführung der Ab­ dichtflüssigkeit und die andere über einen Lüftungskanal (11) mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum mittels eines auf dem Lagerring (8) angeordneten O-Rings (10) in die beide Segmentkammern unterteilt ist.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kranz aus den Lagerstücken (9) zwischen den beiden Dichtungsringen (6, 7) angeordnet ist.

4. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Kranz aus den Lager­ stücken (9) auf seiner Berührungsfläche mit der Welle (2) eine Lager­ metall-Beschichtung trägt.

5. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß neben dem Lagerring (8) ein Freiraum für den Durchtritt der Abdichtflüssigkeit besteht.

6. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Lagerring (8) symmetrisch zu einer achsparallelen Ebene ausgebildet ist.

7. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Lagerring (8) zweiteilig ausgebildet ist (Fig. 4b).

8. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Lagerring (8) mindestens eine Bohrung für den Durchtritt der Abdichtflüssigkeit zum Kranz aus den Lagerstücken (9) besitzt.