DE3723729C2 - Wellendichtung, insbesondere für Wellen von gasgekühlten Generatoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellendichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die dichte Durchführung einer schnell-rotierenden Welle durch die Wand eines Gehäuses, in dessen Inneren sich ein Gas unter vom Umgebungsdruck abweichendem Druck befindet, ist ein in der Technik seit langem bekanntes Problem. Es tritt insbesondere bei großen Generatoren auf, in deren Gehäuse sich Wasserstoff befindet. Dies ist allerdings nur eines von vielen Anwendungs­ beispielen für solche Dichtungen.

Nach dem Stand der Technik werden zur Abdichtung solcher Wel­ len schwimmende, sich nicht mitdrehende Dichtungsringe benutzt, welche von einem Dichtungsringhalter an den Flanken und an der Außenseite vollständig umschlossen sind und denen je nach den Anforderungen an die Qualität der Dichtung Drucköl aus einem, zwei oder mehreren Systemen zugeführt wird. Man unterscheidet dabei sogenannte "Einflußdichtungen" und "Doppelflußdichtungen", je nachdem ob zur Abdichtung des Wellenspaltes und zur siche­ ren Vermeidung von Gasaustausch zwischen den beiden Seiten der Dichtung ein Druckölkreislauf oder zwei Druckölkreisläufe be­ nutzt werden. Außerdem wird nach dem Stand der Technik ein Dich­ tungsring gewöhnlich durch Einpressen von Öl in den Spalt zwi­ schen Dichtungsring und seiner Halterung gegen die angreifenden Öl- und Gasdrücke ausbalanciert, wobei zusätzlich die Reibung zwischen Dichtungsring und Dichtungsringhalter vermindert wird, was eine ungehinderte radiale Dichtungsringeinstellung gewähr­ leistet. Eine solche Dichtung ist beispielsweise in "Journal of Lubrication Technology", Oct. 1982, Vol. 104/449-453, Art. "A Study on Thermal Behavior of Large Seal-Ring" v. T. Suganami, T. Masuda et al, beschrieben.

Aus dem Aufsatz "Die radial wirkende Wellenabdichtung für wasserstoffgekühlte Turbogeneratoren" von H. Spiess, Bulletin Oerlikon 1963, Seite 1, aus dem US-Patent 3 999 766 und aus der EP 0 043 860 B1 sind ebenfalls Wellendichtungen der beschriebenen Art entnehmbar. Bei allen diesen Wellendichtungen ist ein auf einem Ölfilm auf einer Welle, deren Durchführung durch ein Gehäuse abzudichten ist, schwimmender Dichtring von einem gehäuseartigen Dichtringhalter umfaßt.

Das US-Patent 3 179 423 betrifft die Dichtung für die Durchführung eines Stabes durch ein Gehäuse einer elektrischen Sicherung. Diese Dichtung ist nicht mit Öl beaufschlagt.

Die nach dem Stand der Technik allseitig gehalterten Dichtungsringe erfordern einerseits einen relativ komplizierten Aufbau der Halterung und können außerdem nicht problemlos zur Welle zentriert werden, was besonders bei An- und Abfahrvorgängen von Nachteil ist. Schon das Eigengewicht des Dichtungsringes bewirkt, daß der Wellenspalt an der Oberseite der Welle kleiner ist als an der Unterseite, wobei dieser Effekt insbesondere bei dem Anfahren mit kalter Welle zu einem erheblichen Ölverbrauch führt. Außerdem wird für das Ausbalancieren des Dichtungsringes Öl mit einem Druck benötigt, der oberhalb des Öldruckes der anderen Dichtölsysteme liegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst ein­ fach aufgebaute Dichtungsringhalterung zu schaffen, die zusätz­ lich den Dichtungsring für Justiermaßnahmen zugänglich beläßt, wobei die Wellendichtung insgesamt einen möglichst kleinen Ver­ brauch an Öl in den verschiedenen Betriebszuständen aufweisen soll. Außerdem sollen die Spalte an beiden Flanken des Dich­ tungsringes mit unterschiedlichen Öldrücken beaufschlagbar sein, um ein Ausbalancieren zu erleichtern.

Lösung dieser Aufgabe wird eine Wellendichtung mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Durch Tei­ lung der Dichtungsringhalterung in eine Führungsplatte und einen Entlastungsflansch, die mittels Stehbolzen verbunden sind, wird die Außenseite des Dichtungsringes zugänglich, wodurch eine kon­ tinuierliche Nachjustierung oder einzelne Nachjustierungsmaß­ nahmen überhaupt erst möglich werden. Durch die erfindungsgemä­ ßen Maßnahmen wird die Zufuhr von Dichtöl aus der Führungslat­ te in den Dichtungsring nicht beeinträchtigt. Lediglich ist nun­ mehr eine Zufuhr von Dichtöl von außen in den Dichtungsring nicht mehr möglich, weshalb die notwendigen Zuleitungen über die Führungsplatte in die Flanke des Dichtungsringes münden müs­ sen. Dies stellt jedoch, wie anhand der Zeichnung näher erläu­ tert wird, kein Problem dar. Natürlich strömt bei der neuen Kon­ struktion Öl durch die Spalte zwischen Dichtungsring und Füh­ rungsplatte bzw. Entlastungsflansch. Dieser Effekt ist zur Ver­ minderung der Reibung durchaus erwünscht und wird ggf. durch zu­ sätzliche Öleinspeisung in die Spalte unterstützt, wobei jedoch die Spalte zur Verminderung des Ölverbrauchs sehr klein gehal­ ten werden. Günstig wirkt sich dabei die geteilte Dichtungsring­ halterung auch durch Entkopplung der beiden Spalten an den Flanken des Dichtungsringes aus.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und verschiedene Al­ ternativen sind in den Unteransprüchen angegeben. Wie anhand der Zeichnung näher erläutert wird, lassen sich mit der erfin­ dungsgemäßen Halterung sowohl Einflußdichtungen wie auch Dop­ pelflußdichtungen verwirklichen.

Ein entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung kommt in den Ansprüchen 12 bis 14 zum Ausdruck. Die leichte Zugänglich­ keit des Dichtungsringes ermöglicht es nämlich, zu dessen Zen­ trierung bzw. zum Ausgleich seines Gewichtes Stützmittel außen an dem Dichtungsring angreifen zu lassen. Im einfachsten Fall kann dies durch Auflage an einer Seite und gefederter Abstützung bzw. Aufhängung an der gegenüberliegenden Seite des Dichtungs­ ringes erfolgen. Für eine genauere Nachjustierung nach den je­ weiligen Betriebsbedingungen ist es jedoch auch möglich, die Lage des Dichtungsringes abhängig von der mit Meßfühlern gemes­ senen Breite des Wellenspaltes an der Ober- bzw. Unterseite der Welle kontinuierlich zu regeln, wodurch der Ölverbrauch mini­ miert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge­ stellt, und zwar zeigen

Fig. 1 einen Längsaxialschnitt durch eine Doppelfluß-Wellendich­ tung mit erfindungsgemäßer Halterung des Dichtungsringes,

Fig. 2 einen Längsaxialschnitt durch eine besonders einfache Einfluß-Wellendichtung und

Fig. 3 schematisch eine Möglichkeit zur Minimierung der Exzen­ trizität von Welle und Dichtungsring.

Fig. 1 zeigt eine Doppelfluß-Wellendichtung, bei der die Druck­ verhältnisse der einzelnen Ölsysteme dem an sich bekannten Stand der Technik entsprechen. Zwischen einer Führungsplatte 1 und einem Entlastungsflansch 3 ist ein Dichtungsring 2 angeord­ net. Der Entlastungsflansch 3 ist mittels Stehbolzen 4, Kugel­ scheiben 4.2 und Feingewinde-Muttern 4.1 an der Führungsplatte 1 befestigt. Auf diese Weise läßt sich der Abstand zwischen Füh­ rungsplatte 1 und Entlastungsflansch sehr präzise einstellen. Die vorliegende Wellendichtung ist insbesondere für die Abdich­ tung von mit Wasserstoff gefüllten Generatorgehäusen geeignet und weist daher zwei getrennte Dichtölsysteme auf. Das eine Dichtölsystem ist Teil eines geschlossenen Kreislaufes, in dem das Öl geführt wird, welches mit dem Wasserstoff im Generator­ gehäuse in Verbindung kommt und daher mit Wasserstoff gesättigt ist, im folgenden als H₂-Öl bezeichnet. Das andere Ölsystem führt Öl, welches mit Luft in Verbindung kommt und daher mit Luft gesättigt ist, im folgenden als Luft-Öl bezeichnet. Beide Druckölsysteme befinden sich annähernd auf gleichem Druck, so daß ein Austausch von Öl zwischen beiden Systemen nur in sehr geringem Maße stattfindet. Der Öldruck in beiden Systemen ist jedoch höher als der Gasdruck im Generator, so daß kein Gas entweichen kann.

Über eine H₂-Ölzuleitung 6.1 und eine H₂-Ölzulaufkammer 6.2 ge­ langt H₂x-Öl in eine H₂-Öl-Aufnahmenut 6.3 im Dichtungsring 2. Von dort gelangt es durch H₂-Öl-Bohrungen 6.4 zu der H₂-Öl-Aus­ laßnut 6.5, von wo es durch den H₂-seitigen Wellenspalt 15.1 in das Generatorgehäuse strömt.

Das Luftöl gelangt über eine Luft-Öl-Zuleitung 7.1, eine Luft- Öl-Zulaufkammer 7.2 in eine Luft-Öl-Aufnahmenut 7.3 des Dich­ tungsringes 2. Diese Luft-Öl-Aufnahmenut kommuniziert mit Luft- Öl-Kanälen 7.4, 7.5, 7.6, über welche das Luft-Öl zur Luft-Öl- Auslaßnut 7.7 gelangt, von der es durch den Wellenspalt 15.3 nach außen strömt und in ganz geringem Maße auch durch den Wel­ lenspalt 15.2 in Richtung auf die H₂-Öl-Auslaßnut 6.5. Je nach der Anordnung der Stehbolzen 4 verlaufen diese innerhalb von Bohrungen durch den Dichtungsring 2. Dabei sind die Bohrungen so weit, daß sich der Dichtungsring 2 ohne Behinderung durch die Stehbolzen 4 in radialer Richtung etwas bewegen kann. Die Boh­ rungen können, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt, in eines der Öl-Versorgungssysteme einbezogen sein. In diesem Falle werden die Stehbolzen 4 nach außen durch Dichtungen 9 ab­ gedichtet.

Natürlich strömt durch die Spalte 10, 13, 14 zwischen Dichtungs­ ring 2 und Führungsplatte 1 ein gewisser Anteil des Luft-Öls bzw. des H₂-Öls. Dieser Effekt ist zur Verminderung der Reibung nicht unerwünscht, wird jedoch durch sehr präzise Beabeitung der Oberflächen und sehr kleine Spalte gering gehalten. Außerdem kann durch Dichtmittel, z. B. eine Lippendichtung 5, verhindert werden, daß größere Mengen von H₂-Öl durch den Spalt 14 direkt in das Generatorgehäuse abfließen.

Der Druck im Inneren des Generators und der Öldruck der beiden Dichtöl-Systeme belastet den Dichtungsring 2 und rückt diesen gegen den Entlastungsflansch 3. Um hier einen Ausgleich zu schaffen und auch in den Spalten 11, 12 zwischen Dichtungsring 2 und Entlastungsflansch 3 die Reibung zu verringern, wird dem Entlastungsflansch 3 über eine Entlastungs-Öl-Zuleitung 8.1 Drucköl zugeführt, welches über Entlastungs-Öl-Ringnuten 8.2 den Spalten 11, 12 zugeführt wird. Auch diese Spalten werden jedoch sehr kleingehalten, um den Ölverbrauch zu verringern.

Die freie Zugänglichkeit des Dichtungsringes 2 an seiner Außen­ seite hat neben dem einfachen Aufbau der Halterung und der Möglichkeit zur Nachstellung der Spaltbreiten weiterhin den Vorteil, daß eine Justiervorrichtung angebracht werden kann, welche Dichtungsring 2 und Welle 15 konzentrisch zueinander hält. Zwar strömt an der Außenseite des Dichtungsringes Öl durch die Spalte aus, was natürlich ein Gehäuse nötig macht, jedoch können innerhalb dieses Gehäuses nunmehr Stütz- oder Justiermit­ tel angeordnet werden, die direkt an dem Dichtungsring 2 angrei­ fen.

Fig. 2 zeigt eine in bezug auf die Ölzuleitungen sehr viel einfacher aufgebaute Einflußwellen-Dichtung. Auch diese Dar­ stellung ist nur ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, die auch Zwischenlösungen zwischen den beiden Ausfüh­ rungsbeispielen umfaßt.

Die in Fig. 2 gezeigte Wellendichtung besteht wiederum aus einem zwischen Führungsplatte 21 und Entlastungsflansch 23 gehalterten Dichtungsring 22. Dieser Dichtungsring 22 weist Flanken 22.1, 22.2 mit unterschiedlicher Fläche auf, wodurch die angreifenden Kräfte, wie weiter unten erläutert wird, bes­ ser ausbalanciert werden können. Der Entlastungsflansch 23 ist mittels durch den Dichtungsring 22 durchgeführter Stehbolzen 24 und außerhalb des Dichtungsringes 22 liegender Stehbolzen 25 an der Führungsplatte 21 gehaltert. Durch Abstandshülsen 26, 27 wird der Abstand zwischen Führungsplatte 21 und Entlastungs­ flansch 23 festgelegt.

Durch eine Drucköl-Zuleitung 28.1 gelangt Drucköl in eine Druck­ ölnut 28.2 in der Führungsplatte 21 und geht von da in eine Drucköl-Nut 28.4 mit Auskammerung 28.3 im Dichtungsring 22 über. Von dort ab wird das Drucköl auf verschiedene Wege ver­ teilt. Es strömt einerseits über Drucköl-Nuten 28.4, 28.5 und eine Drucköl-Bohrung 28.7 zur Drucköl-Auslaßnut 28.8, von wo es nach beiden Seiten in den Wellenspalt 35.1, 35.2 strömt. Ein kleiner Teil des Drucköls strömt ferner durch die Spalte 33, 34 zwischen Führungsplatte 21 und Dichtungsring 22. Durch die erweiterte Stehbolzendurchführung 28.6 gelangt ferner Druck­ öl zu den Spalten 31, 32 zwischen Dichtungsring 22 und Entla­ stungsflansch 23. Durch Vergrößerung der Flanke 22.2 des Dich­ tungsringes 22 auf der Seite des Entlastungsflansches 23 können dabei die übrigen an dem Dichtungsring 22 angreifenden Kräfte ausgeglichen werden, ohne daß ein großer Öldruck benötigt wird. Um definierte Bedingungen zu schaffen, wird eine Drossel 29 am Eingang des Spaltes 31 vorgesehen, wobei sich der Spalt in Strömungsrichtung hinter der Drosselstelle 29 in eine Drucköl­ kammer 30 erweitert. Sofern die Entlastung des Dichtungsringes 22 bei verschiedenen Betriebsbedingungen von außen beeinflußbar sein soll, kann diese Druckölkammer 30 einen Zwischenauslaß 36 mit einer einstellbaren Drossel aufweisen. Durch Einstellung dieser Drossel kann der an dieser Flanke 22.2 des Dichtungsrin­ ges 22 angreifende Druck dann geregelt werden.

Die unterschiedliche Größe der Flanken 22.1, 22.2 beeinflußt den Zentralbereich 22.3 des Dichtungsringes 22 nicht, der gegen­ über einer Doppelfluß-Wellendichtung besonders einfach ausge­ führt ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es wieder möglich, an dem außen zugänglichen Dichtungsring 22 Stütz- bzw. Justiermittel angreifen zu lassen.

In Fig. 3 ist schematisch dargestellt, auf welche Weise der Dichtungsring von außen gestützt bzw. justiert werden kann. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch Welle 41, Dichtungsring 42 und Wellenspalt 43. Im einfachsten Falle einer Abstützung wird der Dichtungsring 42 durch zwei Vorsprünge 42.1, 42.2 an den beiden Seiten abgestützt. Dies kann vorzugsweise an einer Seite durch einen festen Auflagepunkt 44 und auf der anderen Seite durch eine federnde Aufhängung bzw. Abstützung 45 erreicht werden. Schon durch diese einfache Maßnahme kann der Dichtungsring den Wellenspalt 43 nicht durch sein Eigen­ gewicht deformieren.

Durch Meßfühler 48, 49 kann aber auch die tatsächliche Breite des Wellenspaltes 43 an der Ober- und Unterseite der Welle 41 gemessen werden. Mit diesen Meßwerten kann beispielsweise über einen Differenzverstärker 50 und eine Signalleitung 51 ein Servomotor 47 angesteuert werden, der beispielsweise über eine Zahnstange 46 eine Feder 45 verstellt und dadurch den Dichtungs­ ring 42 nachjustiert.

Fig. 3 soll nur schematisch andeuten, welche Möglichkeiten ein außen zugänglicher Dichtungsring bietet. Die Anbringung von Meß­ geräten mit ihren Zuleitungen, beispielsweise kapazitiven oder induktiven Meßfühlern für verschiedene Zwecke wird ebenso er­ leichtert, wie das manuelle oder automatische Nachstellen des Dichtungsringes bei Verlagerungen der Welle. Dadurch kann der Ölverbrauch der Wellendichtung erheblich reduziert werden, was insbesondere beim Anfahren mit kalter Welle und dadurch großem Wellenspalt 43 erhebliche wirtschaftliche Vorteile bringt.

Claims (14)

1. Wellendichtung, insbesondere für Wellen von gasgekühlten Ge­ neratoren, mit einem die Welle (15; 35; 41) umgebenden, auf einem Ölfilm schwimmenden, sich nicht mitdrehenden Dichtungs­ ring (2; 22; 42), der an seiner Innenseite eine oder mehrere Dichtöl-Auslaßnuten (6.5, 7.7; 28.8) aufweist, gekenn­ zeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Der Dichtungsring (2; 22; 42) ist an seiner Außenseite frei zugänglich und mit seinen Flanken unter Belassung kleiner, mit Drucköl beaufschlagbarer Spalten (10, 11, 12, 13, 14; 31, 32, 33, 34) zwischen einer druckseitigen Füh­ rungsplatte (1; 21) und einem Entlastungsflansch (3; 23) gehaltert.
• b) Die Dichtölversorgung des Dichtungsringes (2; 22; 42) er­ folgt durch Kanäle (6.1, 7.1; 28.1) und/oder Nuten (6.2, 7.2; 28.2) in der Führungsplatte (1; 21).
• c) Der Entlastungsflansch (3; 23) ist mittels Stehbolzen (4; 24, 25) an der Führungsplatte (1; 21) befestigt, wobei mehrere oder alle Stehbolzen (4; 24) mit Spiel durch Boh­ rungen im Dichtungsring (2; 22) geführt sind.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Entlastungsflansch (3) eine zusätz­ liche Entlastungs-Öl-Zuleitung (8.1) mündet, die über Entla­ stungs-Öl-Ringnuten (8.2) mit dem Spalt (11, 12) zwischen Dich­ tungsring (2) und Entlastungsflansch (3) in Verbindung steht.

3. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spalt (31, 32) zwischen Dichtungsring (22) und Entlastungsflansch (23) über mindestens einen Verbin­ dungskanal (28.6) mit dem (bzw. einem der) Dichtölsystem(e) (28.5, 28.7, 28.8) im Dichtungsring (22) in Verbindung steht.

4. Wellendichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (22) druck­ seitig eine Flanke (22.1) mit kleiner Fläche und an den Ent­ lastungsflansch (23) angrenzend eine Flanke (22.2) mit grö­ ßerer Fläche aufweist, so daß die an dem Dichtungsring (22) angreifenden Öl- und Gasdrücke ausbalanciert werden.

5. Wellendichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der äußere Spalt (31) zwischen Dichtungsring (22) und Entlastungsflansch (23) über eine Dros­ selstelle (29) mit dem (bzw. einem der) Dichtölsystem(e) (28.5, 28.7, 28.8) in Verbindung steht.

6. Wellendichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im äußeren Spalt (31) hinter der Drossel­ stelle (29) eine Druckölkammer (30) angeordnet ist, die mit einem Ölauslaßkanal (36) mit verstellbarer Drossel in Verbindung steht.

7. Wellendichtung nach Anspruch 1, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine einzige Drucköl-Zu­ leitung (28.1) vorhanden ist, die mit dem Dichtungsring (22) über eine Drucköl-Nut (28.2) in Verbindung steht, wobei über Kanäle und Nuten (28.3, 28.5, 28.6, 28.7, 28.8) im Dichtungs­ ring (22) das Öl zum Wellenspalt (35.1, 35.2) und zu den Spalten (31, 32, 33, 34) zwischen Dichtungsring (22) und seinen Halte­ rungen (21, 23) zuführbar ist.

8. Wellendichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wellendichtung eine Doppelflußdichtung ist mit zwei getrennten Öl-Zuleitungen (6.1, 7.1) und zwei entsprechend getrennten Ölverteilungs­ systemen (6.3, 6.4, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6), die in zwei ge­ trennten Ölauslaßnuten (6.5, 7.7) münden.

9. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Dichtelemente (5) zur vollständigen oder teilweisen Abdichtung der Spalte (10, 11, 12, 14; 31, 32, 33, 34) zwischen Führungsplatte (1; 21), Dichtungsring (2; 22) und Entlastungsflansch (3; 23) vorhanden sind.

10. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stehbolzen (4) mittels Feingewindemuttern (4.1) und Kugelscheiben (4.2) eine präzise Einstellung des Abstandes des Entlastungsflansches (3) von der Führungsplatte (1) und damit der Spalte (10, 11, 12, 13, 14) ermöglichen.

11. Wellendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Entlastungsflansch (23) und Führungsplatte (21) durch Abstands­ hülsen (26, 27) bestimmbar ist.

12. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich des Gewichtes des Dichtungsringes (42) und zur Zentrierung von Welle (41) und Dichtungsring (42) Stützmittel (44, 45, 46, 47) oder Halterungen an dem Dichtungsring (42) angreifen.

13. Wellendichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Dichtungsring (42) an einer Seite (42.1) auf einem Auflagepunkt (44) aufliegt und auf der gegen­ überliegenden Seite (42.2) gefedert (45) aufgehängt oder abge­ stützt ist.

14. Wellendichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß Meßaufnehmer (48, 49) zur Mes­ sung der Breite des Wellenspaltes (43), vorzugsweise an der Ober- und der Unterseite des Dichtungsringes (42), vorhanden sind, welche bei Exzentrizitäten von Welle (41) und Dichtungs­ ring (42), z. B. über eine Elektronik (50) und einen Servo­ antrieb (46, 47), eine Nachjustierung des Dichtungsringes be­ wirken.