DE3607749A1 - Abdicht-vorrichtung fuer eine turbinenwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abdicht-Vorrichtung für eine Turbinenwelle, wobei an einem Dichtungsgehäuse ein stirnsseitiger Stützring befestigt ist und das Gehäuse eine rückseitige Dichtfläche bildet, und wobei ferner innerhalb des Dichtungsgehäuses ein äußerer Dichtring und ein maschinenseitiger Dichtring ange­ ordnet ist, die beide mit der Turbinenwelle in Abdicht­ verbindung stehen und zwischen denen ein Ringspalt gebildet ist, wovon der äußere Dichtring eine Dicht­ fläche besitzt, die mit der Innenfläche des Stützrings zusammenarbeitet und wovon der maschinenseitige Dicht­ ring eine Dichtfläche besitzt, die mit der rückseitigen Dichtfläche des Dichtungsgehäuses zusammenarbeitet.

Eine bekannte Abdicht-Vorrichtung der genannten Art ist geeignet, Torsions- bzw. Drehschwingungen und auch Längsschwingungen der Turbinenwelle aufzunehmen. Die zwischen den Lagerstellen der Welle auftretenden Biegeschwingungen der Turbinenwelle führen jedoch zu Verformungen der Abdichtringe, so daß insbesondere der äußere Abdichtring an seiner stirnseitigen Dichtfläche einem erhöhten Abrieb unterliegt, der schließlich zu Undichtigkeiten führt. Außerdem wird die von einem Lagermetall gebildete Abdichtfläche dieses Abdicht­ ringes gegenüber der Turbinenwelle beansprucht, so daß eine Verhärtung des Lagermetalls und damit verbundene Abdichtverluste auftreten.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, die bekannte Abdicht-Vorrichtung so auszugestalten, daß auch bei auftretenden Biegeschwingungen der Turbinen­ welle eine einwandfreie Abdichtung erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Abdicht- Vorrichtung dadurch gelöst, daß zwischen der äußeren Dichtfläche des äußeren Dichtringes und der Dichtfläche des Stützringes ein verformbarer Dichtring angeordnet ist, der Deformationen des äußeren Dichtringes auffängt.

Mit dieser Maßnahme wird es möglich, daß der äußere Dichtring den Bewegungen der Turbinenwelle folgen kann, ohne in sich verformt zu werden, so daß er bzw. seine Abdichtfläche gegenüber der Welle stets mit gleichem Druck an der Welle anliegt und so ein bereichsweises Verhärten der aus Lagermetall bestehenden Abdichtfläche vemieden wird.

Außerdem kann ein radial außenliegender Bereich des verformbaren Dichtringes infolge des Druckes einer Dichtflüssigkeit nach der Außenseite hin verformt werden, so daß ein gleichförmiger Kontakt zwischen der maschinenseitigen Dichtfläche des verformbaren Abdichtringes und der äußeren Dichtfläche des äußeren Abdichtringes erhalten bleibt.

Der Anpreßdruck zwischen diesen Dichtflächen bleibt somit auf dem geringsten erforderlichen Maß erhalten.

Auch der maschinenseitige Dichtring liegt so mit dem geringsten erforderlichen Druck unter Beaufschlagung durch die Dichtflüsssigkeit an der Dichtfläche des Dichtungsgehäuses an und kann den Auslenkungen der Turbinenwelle ohne weiteres folgen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Durchmesser der beiden Stirnfläche des verformbaren Dichtringes dem Durchmesser der ab­ dichtenden Stirnfläche des äußeren Dichtungsringes etwa entsprechen, daß die innere Stirnfläche des verformbaren Dichtringes senkrecht zur Achsrichtung der Turbinenwelle liegt, und daß die mit dem Stützring zusammenarbeitende Stirnfläche des verformbaren Dichtringes zu diesem hin konvex ausgebildet ist.

Diese Maßnahme trägt in dem vorstehend genannten Sinne zu einer verbesserten Lösung der Aufgabenstellung bei.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1: einen Längsschnitt einer erfindungs­ gemäßen Abdicht-Vorrichtung,

Fig. 2: eine Teilschnittansicht in größerem Maßstab,

Fig. 3: einen Längsschnitt entsprechend Fig. 1 einer bekannten Abdicht- Vorrichtung zur Erläuterung des Standes der Technik,

Fig. 4: eine Schnittansicht nach der Linie IV-IV der Fig. 3,

Fig. 5 und Fig. 6: Teil-Schnittansichten des Bereichs der Berührungszone des Stützrings mit dem vorderen Dichtring zur Erläuterung des Kräfteverlaufs.

Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung sei zunächst eine bekannte Abdicht-Vorrichtung der genannten Art anhand der Fig. 3 und 4 erläutert.

Hierbei ist mit 1 eine Turbinenwelle und mit 2 ein Maschinengehäuse bezeichnet. Auf einem Bereich der Turbinenwelle 1 ist eine Dichtungsmanschette 3 flüssigkeitsdicht angeordnet, die von einem äußeren Dichtring 4 und einem maschinenseitigen Dichtring 5 umgeben ist. Die inneren Mantelfächen der Dichtringe 4 und 5, die mit der Dichtungsmanschette 3 zusammen­ arbeiten, tragen je eine Schale 6 aus Lagermetall. Die nach außen gerichtete Stirnfläche des Dichtringes 4 ist mit zwei konzentrischen Ringwülsten 4 a, 4 b versehen, die an einer Stützplatte 7 angreifen, die an dem Maschinengehäuse 2 flüssigkeitsdicht gehalten ist. Der Dichtring 4 ist mittels Paßstiften 8, die ringförmig um die Welle 1 in dem Stützring 7 angeordnet sind, undrehbar gehalten.

Die einander zugewandten Stirnflächen der Dichtringe 4 und 5 sind in gleichen Abständen mit Ausnehmungen versehen, in denen Druckfedern 9 eingesetzt sind. Durch die Druckfedern greifen Paßstifte 10, die in den äußeren Dichtring 4 eingesetzt sind. Auf diese Weise werden die beiden Dichtringe 4 und 5 unter Federdruck ständig auseinandergespreitzt und zugleich relativ zueinander undrehbar gehalten.

In dem Maschinengehäuse 2 ist ein im wesentlichen ringförmig ausgebildetes Dichtungsgehäuse 11 angeordnet, welches an seiner äußeren Stirnseite dicht an den Stützring 7 anliegt und an seinem maschinenseitigen Ende flanschartig nach innen vorgezogen ist, so daß dort eine kreisringförmige Abdichtfläche 11 b entsteht. Gegen diese Abdichtfläche des Dichtungsgehäuses liegt ein vorragender Ringflansch 5 a des maschinenseitigen Dichtringes 5 abdichtend an.

Das Dichtungsgehäuse 11 ist mit einer Öffnung 11 a versehen, die mit einer Öffnung 2 a im Maschinengehäuse 2 fluchtet und der Zufuhr von Dichtungsflüssigkeit beziehungsweise Schmiermittel dient.

Die Frontseite des Gehäuses 2 ist mittels eines Deckels 12 verschlossen, der eine an der Turbinenwelle 1 angreifende Labyrinthdichtung 13 trägt.

Sobald die Turbine angetrieben ist, wird eine Abdicht­ flüssigkeit in Richtung des Pfeiles B durch die Öffnungen 2 a und 11 a in das Dichtungsgehäuse 11 gedrückt, sie tritt u. a. auch durch den Ringraum zwischen den Dichtungsringen 4 und 5 zu den Abdicht­ flächen vor. Der Druck dieser Abdichtflüssigkeit ist etwas höher als der Flüssigkeitsdruck innerhalb der Turbine. Ein Teil der Abdichtflüssigkeit tritt in den Raum zwischen der Dichtungsmanschette 3 und dem maschinenseitigen Abdichtring 5 ein und gelangt von dort zurück in einen Vorratsbehälter. Die Abdicht­ flüssigkeit dient gleichzeitig zum Abdichten der Turbinenwelle gegenüber einer im Innern der Turbine vorhandenen Flüssigkeit und zum Schmieren des Bereichs zwischen den Lagermetallflächen 6 der Abdichtringe und der Dichtungsmanschette 3. Der Druck der Abdicht­ flüssigkeit sorgt auch dafür, daß der maschinenseitige Abdichtring zum Maschineninneren hin beaufschlagt wird und sich gegen die Abdichtfäche 11 b des Dichtungs­ gehäuses 11 anlegt. Auch wenn die Abdichtflächen geringe Fehler aufweisen, sorgt die Abdichtflüssigkeit dafür, daß die so enstehenden minimalen Zwischenräume abgedichtet werden.

Ein Teilstrom der Abdichtflüssigkeit tritt auch zwischen den Dichtring 4 und die Dichtungsmanschette 3 in den Raum zwischen dem Stützring 7 und dem Gehäuse­ deckel 12 ein. Die Labyrinthdichtung 13 verhindert ein weiteres Austreten der Abdichtflüssigkeit nach außen, so daß sie aus diesem Raum in einen Vorratsbehälter weitergeleitet werden kann. Die Abdichtflüssigkeit dient auch hier zum Schmieren der Laufflächen 6 aus Lagermetall. Gleichzeitig verhindert sie ein Eintreten von Luft von außen her ins Innere der Turbine. Der Druck der Abdichtflüssigkeit sorgt ferner dafür, daß der äußere Abdichtring 4 mit seiner Dichtfläche gegen den Stützring 7 mit seinen Ringwülsten 4 a und 4 b angedrückt wird, wobei auch über diese Flächen Dicht­ flüssigkeit in den Raum zwischen dem Stützring und dem Gehäusedeckel durchsickern kann und so geringe Un­ dichtigkeiten dieser Dichtflächen ausgleicht.

Wenn die Turbinenwelle infolge Lastwechsel oder Schwingungen verformt wird, so gleiten die Dichtringe 4 und 5 auf der Welle und der äußere Dichtring 4 gleitet auf der Dichtfläche des Stützrings 7. Die Paßstifte 8 und 10 halten jedoch die Dichtringe 4 und 5 in ihrer relativen radialen Lage zu dem Stützring 7 fest, der dieser Bewegung insbesondere des äußeren Stützrings 4 nicht folgen kann.

Fig. 5 zeigt die Druckverteilung auf die vorstehend angesprochenen Teile der Fig. 3, die infolge der Beaufschlagung durch die Abdichtflüssigkeit auftritt. Dieser Druck P wirkt sowohl auf die äußere Umfangs­ fläche des äußeren Abdichtringes 4 als auch auf die innere Stirnfläche des Stützrings 7. Auf die Lagerfläche 6 wirkt ein in axialer Richtung nach außen abnehmender Druck der Abdichtflüssigkeit, dem ein in axialer Richtung der Welle nach innen abnehmender Druck der äußeren Atmosphäre entgegensteht. Zugleich wirkt der atmosphärische Druck auf die äußere Stirnfläche des Stützrings 7 ein. Infolge dieser Drücke auf die Lagerfläche 6 und somit auf den Dichtring 4 wird auf den Stützring 7 ein Biegemoment Mb ausgeübt, so daß sich der Stützring in Richtung dieses Biegemomentes Ma einwirkt, welches eine Folge der Differenz aus dem Atmosphärendruck Po und dem Druck der Abdichtflüssig­ keit P auf die Lagerfläche 6 ist.

Fig. 6 zeigt diese Wirkungen in übertriebenem Maßstab. Der äußere Abdichtwulst 4 a wird so bereichsweise stärker an die Abdichtfläche des Stützrings 7 ange­ drückt als der innere Ringwulst 4 b, so daß sich die für eine Abdichtung wirksame Fläche verringert und der Anpreßdruck merklich vergrößert wird. Dies bewirkt jedoch zugleich, daß der äußere Abdichtring 4 einer Verformung der Turbinenwelle 1 nicht mehr ohne weiteres folgen kann, so daß sich der Druck zwischen der Lager­ fläche 6 und der Dichtungsmanschette 3 örtlich über­ mäßig vergrößert, so daß das Lagermetall verhärtet und seine Aufgabe als Gleitfläche und Abdichtfläche nicht mehr erfüllen kann.

Dies stellt einen erheblichen Nachteil der beschriebenen, bekannten Konstruktion einer Abdicht-Vorrichtung für eine Turbinenwelle dar. Wenn auch die Verhältnisse nach Fig. 5 und 6 etwas übertrieben erscheinen, so ist doch bei der hohen Drehzahl der Turbinenwelle und über einen längeren Zeitraum der durch die geschilderten Verhältnisse entstehende Verschleiß ganz erheblich. Es war jedoch erforderlich, dies ausführlich zu er­ läutern, um das Verständnis für die im folgenden beschriebenen, erfindungsgemäßen Maßnahmen zu er­ leichtern.

In den Fig. 1 und 2 ist nun ein auf der vorstehend beschriebenen Ausführungsform basierendes, erfindungs­ gemäßes Ausführungsbeispiel einer Abdicht-Vorrichtung für eine Turbinenwelle dargestellt. Hierbei sind gleiche beziehungsweise gleichartige Teile mit Bezugsziffern versehen, die gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 um einen Betrag von jeweils 20 erhöht sind. Die Turbinenwelle 1 der Fig. 3 ist hier mit 21 bezeichnet usw.

Eine unterschiedliche Ausgestaltung des dargestellten Ausführungsbeispiels zeigt lediglich der äußere Dicht­ ring 24 und der die Turbinenwelle umgebende Bereich des Stützrings 27.

Zur Verdeutlichung sind diese Teile in Fig. 2 noch einmal in größerem Maßstab dargestellt und im folgenden näher erläutert.

Die äußere, stirnseitige Fläche 34 des äußeren Dicht­ ringes 24 verläuft senkrecht zur Achsrichtung der Turbinenwelle 21 und ist in ihrem mittleren Bereich mit einer ringförmigen Nut 35 versehen. In ihrem äußeren Umfangsbereich weist sie eine Anzahl von radial verlaufenden Nuten 36 auf.

An dem Stützring 27 ist an seinem der Turbinenwelle 21 benachbarten Bereich eine senkrechte zur Achsrichtung der Welle verlaufende Abdichtfläche 37 ausgebildet, an die sich radial nach außen eine ringförmige Vertiefung oder Nut 38 anschließt. Diese wird nach außen hin durch eine achsparallele, zylindrische Oberfläche 39 begrenzt.

Zwischen der genannten inneren Abdichtfläche 37 des Stützringes 27 und der äußeren stirnseitigen Fläche des äußeren Abdichtrings 24 ist ein verformbarer Abdicht­ ring 40 angeordnet, der aus einem geeigneten Kunst­ harz gefertigt ist. Der Durchmesser dieses Abdichtrings 40 entspricht in etwa dem Durchmesser der äußeren Stirnfläche des Dichtringes 24. Die diesem Dichtring 24 benachbarte Fläche D des Abdichtrings 40 ist eben und verläuft senkrecht zur Achsrichtung der Welle 21. Die nach außen gerichtete Oberfläche E des Abdichtringes 40 ist nach außen hin konvex gewölbt ausgebildet.

Paßstifte 28 greifen an entsprechenden Ausnehmungen 24 a des äußeren Dichtringes 24 an.

Der Fluß einer durch die Öffnung 22 a und 31 a in Pfeilrichtung B in das Dichtungsgehäuse gedrückten Abdichtflüssigkeit entspricht dem des vorher be­ schriebenen Beispiels nach Fig. 3. Bei dem erfindungs­ gemäßen Ausführungsbeispiel umströmt die Abdicht­ flüssigkeit auch den verformbaren Abdichtring 40, bevor sie in den Zwischenraum zwischen Stützring 27 und dem Gehäusedeckel 32 abfließt.

Unter der Voraussetzung der in Fig. 5 gezeigten Kraft­ wirkungen und der Verformung nach Fig. 6 reagiert eine erfindungsgemäße Abdicht-Vorrichtung anders. Wenn sich der äußere Abdichtring 24 (im Sinne der Darstellung nach Fig. 6) in Richtung des Pfeiles F ₁ verformt, so erfolgt ein stärkerer Druck auf die maschinenseitige Fläche D des Abdichtringes 40, der sich infolge seiner Verformbarkeit in Richtung des Pfeiles F ₂ verformt. Der innere Umfangsbereich des Stützringes 27 wird gleichzeitig in Richtung des Pfeiles G beaufschlagt und verformt. Da nun die äußere Oberfläche 37 des Abdichtringes 40 konvex ausgebildet ist, verlagert sich der Berührungs- bzw. Andruckbereich zwischen dem Abdichtring 40 und dem Stützring 27 leicht radial nach außen. Der Abdichtring 40 kann sich leicht und gleichförmig verformen bzw. verbiegen und die Abdichtung bleibt gleichwohl aufrechterhalten. Die Flächenpressung bleibt jedoch gleichwohl relativ gering, so daß ein leichtes Gleiten der Dichtflächen aufeinander sichergestellt ist. Damit wird jedoch auch gleichzeitig der von der Lagermetall-Schicht 26 aufzunehmende Druck kleiner als bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik, so daß ein Verhärten des Lagermetalls und damit zusammenhängende Abdichtverluste vermieden wird.

Außerdem bleibt der Fluß der Abdichtflüssigkeit zwischen den Lagermetallflächen 26 und der Abdicht­ manschette 23 erhalten, so daß auch die Schmierung dieser Bereiche sichergestellt bleibt. Auch die Halterung des Abdichtringes 24 mittels der geänderten Aufnahme der Paßstifte trägt zu einem besseren Auf­ nehmen der Kräfte durch die Dichtringe 24 und 25 bei.

Claims (3)

1. Abdicht-Vorrichtung für eine Turbinenwelle,

• - wobei an einem Dichtungsgehäuse (11; 31) ein stirnseitiger Stützring (7; 27) befestigt ist und das Gehäuse eine rückseitige Dichtfläche (11 a, 31 a) bildet,
• - wobei ferner innerhalb des Dichtungsgehäuses ein äußerer Dichtring (4; 24) und ein maschinen­ seitiger Dichtring (5; 25) angeordnet ist, die beide mit der Turbinenwelle in Abdichtverbindung stehen und zwischen denen ein Ringspalt gebildet ist,
• - wovon der äußere Dichtring eine Dichtfläche (4 a, 4 b), besitzt, die mit der Innenfläche des Stützrings zusammenarbeitet
• - und wovon der maschinenseitige Dichtring eine Dichtfläche ( 5 a; 25 a) besitzt, die mit der rück­ seitigen Dichtfläche (11 a; 31 a) des Dichtungs­ gehäuses zusammenarbeitet,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwischen der äußeren Dichtfläche (34) des äußeren Dichtringes (24) und der Dichtfläche (37) des Stützringes (27) ein verformbarer Dichtring (40) angeordnet ist, der Deformationen des äußeren Dichtringes (24) auffängt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Durchmesser der beiden Stirnflächen (34, 37) des verformbaren Dichtringes (40) dem Durchmessser der abdichtenden Stirnfläche des äußeren Dichtungs­ ringes (24) etwa entsprechen,
• - daß die innere Stirnfläche (34) des verformbaren Dichtringes (40) senkrecht zur Achsrichtung der Turbinenwelle liegt,
• - und daß die mit dem Stützring (27) zusammen­ arbeitende Stirnfläche (37) des verformbaren Dichtringes (40) zu diesem hin konvex ausgebildet ist.