DE3612327C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine berührungsfreie, gasgesperrte, axiale Wellendichtung, insbesondere für Turboverdichter und andere Turbomaschinen, bestehend aus einem mit der Welle rotierenden Wellenbund und einem nicht umlaufenden, axial beweglichen Gleitring mit einer Sperrgaseinspeisung in die Gleitfläche, wobei der Gleitring über zwei zur Wellenachse konzentrische Bälge mit einer feststehenden Wand in Verbindung steht, und die Sperrgaszuführung zwischen den Bälgen erfolgt.

Eine Wellendichtung der genannten Art ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 21 34 964. Sie dient dazu, den Maschineninnenraum an der Wellendurchführung nach außen hin bei kleinstmöglicher Leckage berührungsfrei abzudichten bzw. unter geringstmöglichem Sperrgasdurchsatz ein Heraustreten eines Gases aus dem Innenraum zu verhindern. Die zulässigen Mengenströme sind dabei so klein, daß sie nur durch selbst­ einstellende Axialdichtungen mit Spaltweiten von wenigen Hundertstel mm realisiert werden können.

Durch den Gleitring hindurch wird dabei - ungefähr in der Mitte seiner Gleitfläche - das Sperrgas in den Dichtspalt gedrückt, wodurch Wellenbund und Gleitring auf Distanz gehalten werden. Damit sich ein stabiler Spalt und ein sperrender Druckberg ausbilden können, muß der Gleitring durch eine äußere Kraft angedrückt werden. Zur Abdichtung der Rückseite des Gleitrings ist daher zwischen ihm und einer feststehenden Wand eine Balgdichtung aus zwei konzentrischen Bälgen angebracht, zwischen denen die Sperrgaszuführung derart erfolgt, daß die axiale Beweglichkeit des Gleitringes nicht behindert wird.

Die Aufrechterhaltung eines berührungsfreien Spaltes stellt dabei große Anforderungen an die Ebenheit der Gleitfläche; diese Ebenheit wird durch unterschiedliche Wärmedehnungen beeinträchtigt, die nie ganz zu vermeiden sind, weil Dehnungs­ differenzen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungs- Koeffizienten der aus unterschiedlichen Materialien zusammen­ gesetzten Gleitringteile, also des eigentlichen Gleitrings und der Bälge, auftreten. Der eigentliche Gleitring ist beispiels­ weise aus Wärmeleitungsgründen bevorzugt aus Leichtmetall, während die Bälge aus Fertigkeitsgründen aus Stahl bestehen. Die unterschiedlichen Wärmedehnungen führen im allgemeinen zu einer konischen Verwölbung der Gleitfläche.

Bei der bekannten Konstruktion sind die Bälge auf der Gleit­ ringrückseite befestigt. Damit ergibt sich ein Bi-Metall- Element, bei dem die unterschiedlichen Wärmedehnungen von Gleitring und Bälgen bereits bei geringer Erwärmung eine unzu­ lässige Verwölbung hervorrufen; denn wegen des Abstandes zur Mitte des Gleitringes entsteht an der Verbindungsstelle ein Moment, das die Gleitringverwölbung hervorruft.

Aus der CH-PS 4 13 522 ist eine vorwiegend ölgeschmierte und ölgekühlte Gleitringdichtung bekannt, bei der die Gleit­ flächen mit Gleitschichten belegt sind, zwischen denen eine relativ geringe Menge des Schmiermediums durchströmt. Ein zur Wegführung der Reibungswärme notwendiges, die Dichtfläche nicht durchströmendes Kühlmittel kann dabei zwischen zwei Bälgen dem Gleitring zugeführt werden; die Bälge sind mit dem Gleitring über ein Zwischenstück verbunden, das fest am Gleitring sitzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Wellendichtung der eingangs genannten Art die Bildung des geschilderten "Verwölbungs"-Momentes zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bälge über ein zylindrisches Verbindungsstück mit dem Gleitring verbunden sind, und daß ferner die Verbindungsstelle des Verbindungs­ stückes mit dem Gleitring etwa im Flächenschwerpunkt der radialen Querschnittsflächen des Gleitringes angeordnet ist.

Die Verwendung eines Verbindungsstückes, das - weil es mit den Bälgen verschweißt wird - vorzugsweise ebenfalls aus Stahl besteht, ermöglicht es, die Verbindung zwischen dem eigent­ lichen Gleitring und den Bälgen, an der bei thermischen Bela­ stungen die Kraftwirkungen der unterschiedlichen Wärme­ dehnungen auftreten, mittels einer Nut in den Flächenschwer­ punkt des Gleitringes zu verlegen. Dadurch wird die Entstehung von Verwölbungs-Momenten verhindert. Der Gleitring verformt sich bei Krafteinwirkungen somit nur radial und/oder axial, so daß die Gleitfläche eben bleibt.

Eine erste vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die Verbindung von Gleitring und Verbindungsstück durch radial vorgespannte O-Ringe erfolgt; dabei können die druckwirksame Querschnittsfläche der Gleitringausnehmung und diejenige des Zwischenraumes zwischen den Bälgen vorteilhaf­ terweise etwa gleich groß sein, wodurch sich die axialen Kräfte auf das Verbindungsstück nahezu aufheben. Zusätzlich ist es möglich, das Verbindungsstück gegen axiale Verschiebun­ gen in dem Gleitring zu sichern, wofür dieses beispielsweise einen nach außen gerichteten Ansatz aufweist, der im "normalen" Gleichgewichtszustand der Dichtung berührungsfrei in einen entsprechenden Schlitz des Gleitringes hineinragt.

Eine andere Möglichkeit für eine Sicherung in axialer Richtung ist gegeben, wenn die auf einer Seite in Rechtecknuten gelagerten O-Ringe auf der Gegenseite in flache Ausnehmungen eingepreßt sind.

Eine weitere, zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die druckwirksame Querschnittsfläche zwischen den Bälgen größer ist als diejenige des Verbindungs­ stückes und eine axiale Doppelsitzdichtung, bestehend aus zwei konzentrischen axialen Dichtkanten an der inneren Stirnseite des Verbindungsstückes, vorhanden ist; durch die Vergrößerung der "Druck"-Fläche des Balg-Zwischenraumes relativ zu der­ jenigen der Nut im Gleitring tritt eine Axialkraft auf, die die Doppelsitzdichtung in axialer Richtung gegen den Boden der Gleitringdichtung drückt.

Im folgenden werden Ausführungsbei­ spiele der Dichtung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen in Schnitten längs einer die Wellen­ achse enthaltenden Ebene vier verschiedene Ausführungsformen der neuen Wellendichtung, wobei jeweils nur eine Hälfte der zur Wellenachse rotationssymmetrischen Anord­ nung dargestellt ist.

Die Welle 1, die in nicht dargestellten Lagern in einem festen Gehäuse 2 gelagert ist, trägt einen mitrotierenden Wellenbund 3. Die mit der Wellen-Durchtrittsöffnung 4 durch die fest­ stehende Wand 5 des Gehäuses 2 in Verbindung stehende "Außenseite" 10 ist gegen den Maschineninnenraum 11 mit Hilfe einer gasgesperrten Wellendichtung abgedichtet. Zu diesem Zweck wirken der Wellenbund 3 und ein nicht rotierender, jedoch axial beweglicher Gleitring 6 zusammen, der dem Bund 3 gegenübersteht und vorzugsweise wegen der Wärmeleitfähigkeit aus einer Leichtmetall-Legierung - z. B. aus AlMg3 - gefertigt ist. Etwa in der Mitte der Gleitfläche 7 des Ringes 6 ist eine Nut 8 vorgesehen, der aus einer nicht gezeigten Druckgasquelle durch den Ring 6 hindurch von der Rückseite her Sperrgas zuge­ führt werden kann. Der erhöhte Druck des Sperrgases hebt zur Erzeugung eines Dichtspaltes 9 den axial beweglichen Gleitring 6 vom Wellenbund 3 ab, so daß die Dichtung berührungsfrei arbeitet. Wie durch Pfeile angedeutet, fließt das Sperrgas von der Nut 8 nach beiden Seiten zur Außenseite 10 bzw. in den Innenraum 11 ab.

Die Sperrgaszufuhr zum Gleitring 6 erfolgt zwischen zwei zur Wellenachse konzentrischen Bälgen 12, die zum einen über ring­ förmige Vorsprünge 13 an der Wand 5 des Gehäuses 2 und zum anderen an einem axial beweglichen Verbindungsstück 14 gas­ dicht befestigt, z. B. mit beiden Elementen verschweißt, sind; zwischen den Vorsprüngen 13 enden dabei das Sperrgas durch das Gehäuse 2 leitende Bohrungen 15.

In den Gleitring 6 ist von der Rückseite her eine zylindrische Eindrehung 16 eingearbeitet, in die mit - in den Fig. 1, 2 und 4 nicht dargestelltem - seitlichem, d. h. radialem Spiel das mit den Bälgen 12 verbundene Verbindungsstück 14 eingesetzt ist; in diesem sind über den Umfang verteilt Längsbohrungen 35 für die Sperrgasströmung vorgesehen.

Das Verbindungsstück 14 und der Gleitring 6 sind etwa in der Mitte der radialen Querschnittsfläche des Ringes 6 miteinander verbunden.

Diese Verbindung erfolgt in den Fig. 1 und 2 über O-Ringe 17, die in der genannten Flächenmitte das Verbindungsstück 14 mit dem Gleitring 6 verbinden und dort sowohl abdichten als auch Wärmedehnungsdifferenzen elastisch überbrücken. Um ein Auswan­ dern der Verbindungsstelle aus der Flächenmitte zu verhindern, sind annähernd gleiche druckwirksame Flächen 18 und 19 zu beiden Seiten des Verbindungsstückes 14 vorgesehen, womit in axialer Richtung ein annähernder Ausgleich der Kräfte ange­ strebt wird. Zusätzlich ist als Sicherung gegen axiale Verschiebungen in Fig. 1 das Verbindungsstück 14 mit einem radialen Ansatz 20 versehen; dieser ragt in eine Ausnehmung 21 im Gleitring 6, die von einer Abdeckung 22 verschlossen ist. Im "normalen" Betriebszustand "schwimmt" der Ansatz 20 dabei berührungsfrei in der Ausnehmung 21.

Die Sicherung 20 bis 22 kann entfallen, wenn die O-Ringe 17, die im Verbindungsstück 14 in Rechtecknuten 24 gelagert sind, auf der Gleitringseite in eine kleine - z. B. V-förmige - Nut 25 hineindrücken (Fig. 2). Dabei sollte, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, sichergestellt sein, daß durch annähernd gleiche Druckflächen 18 und 19 nur relativ geringe Axialkräfte auf das Zwischenstück einwirken. Wenn die wirksame "Druck"-Fläche 19 des Zwischenraumes zwischen den Bälgen 12 ins Gewicht fallend größer ist als die druckwir­ same Gegenfläche 18 (Fig. 3), ergibt sich infolge der Flächen­ differenz eine Axialkraft; diese kann auf einen axialen metallischen Sitz 27 drücken, wodurch zwischen dem Gleitring 6 und dem Verbindungsstück 14 eine axiale Doppelsitzdichtung, bestehend aus zwei konzentrischen axialen Dichtkanten an der inneren Stirnseite des Verbindungsstückes 14, gebildet wird. Dadurch werden O-Ringe entbehrlich; es besteht jedoch unter Umständen die Gefahr einer erhöhten Sperrgas-Leckage. Das radiale Spiel 28 an der Verbindungsstelle von Ring 6 und Verbindungsstück 14 wird bei dieser Ausführungsform so ge­ wählt, daß es der Relativdrehung bei Betriebstemperatur entspricht, wodurch größere Radialkräfte verhindert werden.

Bei Druckabfall des Sperrgases hebt der Gleitring 6 bei allen dargestellten vertikalen und unter dem Wellenbund liegenden Anordnungen infolge seines Eigengewichts vom Wellenbund 3 ab. Bei einer umgekehrten und gegebenenfalls bei horizontaler Ein­ baulage muß dieses Abheben durch Zugfedern 29 zwischen dem Gleitring 6 und der Gehäusewand 5 sichergestellt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist das Zwischenstück 14 von "oben" her so geschlitzt, daß eine Gabel mit zwei dünnen elastischen Schenkeln 30 entsteht, die in der Flächen­ mitte des Gleitringes 6 einerseits aufgrund einer Vorspannung und andererseits durch den Innendruck gegen Dichtflächen 31 an den peripheren Wänden der Gleitringeindrehung 16 gepreßt werden. Eine axiale Fixierung erfolgt durch über den Umfang der Eindrehung 16 bzw. des Gleitringes 6 verteilte Radialstif­ te 32.

Claims (5)

1. Berührungsfreie, gasgesperrte, axiale Wellendichtung, insbe­ sondere für Turboverdichter und andere Turbomaschinen, beste­ hend aus einem mit der Welle rotierenden Wellenbund und einem nicht umlaufenden, axial beweglichen Gleitring mit einer Sperrgaseinspeisung in die Gleitfläche, wobei der Gleitring über zwei zur Wellenachse konzentrische Bälge mit einer fest­ stehenden Wand in Verbindung steht, und die Sperrgaszuführung zwischen den Bälgen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Bälge (12) über ein zylindrisches Verbindungsstück (14) mit dem Gleitring (6) verbunden sind, und daß ferner die Verbin­ dungsstelle des Verbindungsstückes (14) mit dem Gleitring (6) etwa im Flächenschwerpunkt der radialen Querschnittsflächen des Gleitringes (6) angeordnet ist.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung von Gleitring (6) und Verbindungsstück (14) durch radial vorgespannte O-Ringe (17) erfolgt.

3. Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die druckwirksame Querschnittsfläche (18) der Gleitring­ ausnehmung (16) für die Aufnahme des Verbindungsstückes (14) und diejenige (19) des Zwischenraumes zwischen den Bälgen (12) etwa gleich groß sind.

4. Wellendichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einer Seite in Rechtecknuten (14) gelagerten O-Ringe (17) auf der Gegenseite in flache Ausnehmungen (25) eingepreßt sind.

5. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckwirksame Querschnittsfläche (19) des Zwischen­ raumes zwischen den Bälgen (12) größer ist als diejenige (18) des Verbindungsstückes (14), und daß an der inneren Stirnseite des Verbindungsstückes (14) eine axiale Doppelsitz­ dichtung (27) vorhanden ist.