DE3925404A1 - Trockengasdichtung mit ruecklaufentlastung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine als axiale Gleitring­ dichtung ausgebildete Trockengasdichtung für eine drehende, durch eine Gehäusewand geführte Welle mit einer mit der Welle umlaufenden Wellenbüchse als Träger einer Dichtfläche und einem stationären Gleitring mit einer mittels eines Gases an die Dichtfläche gedrückten Gleitfläche, wobei auf der Dichtfläche und/oder Gleitfläche vom Außenrand ausgehende geneigt zur Radialrichtung verlaufende Rillen zur aerodynamischen Schmierung der Dichtfläche bzw. der Gleitfläche mittels Druckaufbau vorgesehen sind.

Solche axiale Wellendichtungen sind beispielsweise aus EP-B-13 678 bekannt und dienen dazu, den unter einem gewissen Druck stehenden Gehäuse-Innenraum einer Turbomaschine, beispielsweise eines Turbokompressors oder einer Turbine, an der Durchführung der Welle nach außen oder zu einer Zwischenkammer abzudichten, um ein Ausströmen des Mediums aus dem Innenraum zu verhindern. Dies erfolgt mittels eines Sperrmediums, z. B. eines Gases, welches die Gleitfläche des Gleitringes an die Dichtfläche der Wellenbüchse drückt und somit den Austritt von Gas aus dem Innenraum minimalisiert, wobei die Leckage der Dichtung durch entsprechende Dichtungsringe auf einem kleinstmöglichen Wert gehalten wird. Gleichzeitig wird ein Spalt zur berührungslosen Relativbewegung gebildet.

Bei der bekannten Wellendichtung werden die Vorteile aerodynamischer Dichtungen ausgenützt, bei denen das als Schmiermittel dienende Gas von außen der Dicht­ fläche bzw. Gleitfläche über geneigte, z. B. schräge oder spiralförmige Rillen zugeführt wird, wodurch die Schmiermittel- bzw. Gasleckage wesentlich geringer ist als bei bekannten aerostatischen Dichtungen. Die geneigt zur Radialrichtung verlaufenden Rillen bewirken hierbei, daß das Schmiermittel bei Rotation der Welle mittels Pumpwirkung automatisch von außen nach innen auf die Dicht- bzw. Gleitfläche derart verteilt wird, daß ein zweckmäßiger Druckaufbau in radialer Richtung zustandekommt und dadurch eine reibungsarme Dichtung gebildet wird. Der Nachteil solcher Dichtungen ist, daß sie bei Bewegung in entgegengesetzter Richtung, beispielsweise bei einem Rücklauf der Turbomaschine keine ausreichende Verteilung des Schmiermittels auf der Gleitfläche erlauben und daher verklemmen und festsitzen, oder gar zerstört werden können.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, und insbesondere eine Trockengasdichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß ein Festklenmen und eine Havarie der Wellendichtung bei einem Lauf der Welle entgegengesetzt zur vorgesehenen Drehrichtung vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Entlastungseinrichtung vorgesehen ist, welche bei einer Umkehr der Drehrichtung der Welle bzw. der Relativdrehung zwischen Dichtfläche und Gleitfläche eine Kraft entgegen der Anpreßrichtung des Gleitringes an die Dichtfläche erzeugt.

Durch diese Entlastungseinrichtung wird bei Umkehr der Relativbewegung zwischen der Gleitfläche und der Dichtfläche eine solche Kraft entgegen der Anpreßrichtung erzeugt, daß die Reibung auf ein ungefährliches Maß reduziert oder der Gleitring ganz von der Dichtfläche abgehoben wird.

Mit besonderem Vorteil weist diese Entlastungs­ einrichtung eine am Außenkranz des Gleitringes und der gegenüberliegenden Fläche des Dichtungshalters vorgesehene Schrägführung auf. Durch die Reibung zwischen Dichtfläche und Gleitfläche wird ein Drehmoment auf den Gleitring ausgeübt, welches in der vorgesehenen Drehrichtung eine vorzugsweise in Umfangsrichtung gerichtete Kraft auf den Gleitring bewirkt, bei der entgegengesetzten Drehrichtung jedoch zusätzlich eine Kraftkomponente entgegen der Anpreßrichtung des Gleitringes an die Wellenbüchse. Mit Vorteil weist eine solche Schrägführung eine oder mehrere über den Umfang verteilte, gegen die Drehachse geneigte Verschiebeflächen auf, die mit einem Gegenelement im anderen Teil zusammenwirken.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Wellendichtung im Schnitt längs der Wellenachse,

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Dichtfläche bzw. eine Gleitfläche,

Fig. 3a und b Aufsichten auf den Kranz eines Gleit­ ringes bei vorschriftsgemäßer Rotations­ richtung und bei Rotation in Gegenrichtung, und

Fig. 4 eine Aufsicht auf den Kranz bei einem anderen Ausführungsbeispiel.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist eine Welle 1 dichtend durch die Gehäusewand 2 beispielsweise einer Turbomaschine von einer Stelle höheren Druckes p_i zu einer Stelle tieferen Druckes p_a geführt. Die Dichtung weist eine auf die Welle 1 aufgesetzte Wellenbüchse 3 auf, welche die Welle 1 mit einem Radialspalt 4 umgibt, während ihr hülsenförmiges Ende 3′ an der Außenseite auf der Welle 1 elastisch federnd aufliegt. Die Wellenbüchse 3 trägt auf ihrer Außenseite einen Dichtkörper 5, welcher auf seiner Außenseite eine kreisringförmige Dichtfläche 6 bildet.

Weiterhin weist die Dichtung einen in dem in das Gehäuse 2 eingeführten Dichtungshalter 2′ stationären, d. h. nicht-rotierenden, aber axial und in Umfangsrichtung mit einem kleinen Spiel verschiebbaren Gleitring 7 auf, welcher an seiner Innenseite 7′ gegen­ über einem Ansatz 8 des Dichtungshalters zentriert ist. An der nach innen gekehrten Seite trägt der Gleitring 7 einen Gleitkörper 9 aus einem Material guter Gleit­ eigenschaft mit einer der Dichtfläche 6 zugekehrten Gleitfläche 9′.

Über eine Leitung 10 wird der Wellendichtung vom Gehäuse 2 aus ein Gas mit einem Druck p_s zugeführt, welcher ein wenig höher sein kann als der abzudichtende Druck p_i der Turbomaschine. Dabei kann das Gas der Turbomaschine selbst entnomnen oder als externes Fremdgas zugeführt werden. Das Gas drückt auf die Rückseite des Gleitringes 7 und drückt diese an die Wellenbüchse 3, so daß die Dichtfläche 6 auf der Gleitfläche 9′ des stationären Gleitkörpers 9 aufliegt und ein Austritt des Gases aus dem Gehäuseinneren weitgehend verhindert wird. Die trotzdem noch austretende geringe Menge von Gas wird über eine Leitung 13 abgeführt.

Außerhalb der beschriebenen Dichtung ist zur Erzielung einer noch besseren Dichtwirkung oder als Notdichtung eine zweite ähnlich aufgebaute Gleitringdichtung 14 vorgesehen, auf die jedoch gegebenenfalls auch verzichtet werden kann.

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind auf der Dichtfläche 6 oder auf der Gleitfläche 9′ vom äußeren Rand 17 aus­ gehende, z. B. spiralförmige Rillen 18 vorgesehen. Diese Rillen 18 verlaufen geneigt zur Radialrichtung R, wodurch bewirkt wird, daß in der vorgesehenen richtigen Drehrichtung das Gas mittels Pumpwirkung von außen in die Rillen hineingefördert und durch den Druckaufbau eine hinreichende Gasschmierung der Dichtfläche und der Gleitfläche gewährleistet wird.

Bei umgekehrter Drehrichtung wird der Druckaufbau im Spalt so ungenügend, daß es zum Kontakt zwischen Dichtfläche und Gleitfläche kommt, so daß keine ausreichende Schmierung vorhanden ist und die Gefahr des Festfressens oder Festsitzens der Dichtung besteht, was zur Zerstörung der Dichtung und zur Havarie führen kann. Um dies zu verhindern, ist als Rücklaufsicherung eine Entlastungseinrichtung 19 am Außenkranz 11 des Gleitringes 7, bzw. der Gegenfläche 20 des Dichtungs­ halters vorgesehen. Diese bewirkt, daß bei einer Umkehr der Drehrichtung automatisch eine Gegenkraft auf den Gleitring 7 ausgeübt wird, welcher die Gleitfläche 9′ von der Dichtfläche 6 entlastet oder ganz zurückzieht.

Diese Entlastungseinrichtung 19 kann aus Keilen 21 am Außenkranz 11 des Gleitringes 7 bestehen, mit welchen ebenfalls keilförmige Vorsprünge 22 an der Innenfläche 20 des Dichtungshalters 2′ zusammenwirken. Diese Keile 21 bzw. Vorsprünge 22 weisen jeweils an einer Seite eine geneigt zur Achsenrichtung A verlaufende Verschiebefläche 21′ bzw. 22′ auf, und an der anderen Seite in Achsenrichtung verlaufende Anschlagflächen 21′′ bzw. 22′′.

Fig. 3a zeigt die Entlastungseinrichtung im normalen Betrieb, d. h. bei der vorgesehenen Drehrichtung der Welle 1. Da der Gleitring 7 von der Dichtfläche 6 mittels Reibung mitgenommen wird, liegen hierbei die Anschlagflächen 21′′ und 22′′ aneinander. Da diese Flächen in Achsenrichtung orientiert sind tritt im wesentlichen lediglich eine Kraft in Umfangsrichtung P auf. Damit dienen diese Anschlagflächen 21′′ und 22′′ als Drehsicherung für den Gleitring 7.

Bei Umkehr der Drehrichtung der Welle 1 wird der Gleit­ ring 7, wie in Fig. 3b gezeigt, ebenfalls mittels Reibung vom Dichtkörper der umlaufenden Wellenbüchse mitgenommen und die Verschiebeflächen 21′ und 22′ kommen zur Auflage und drücken mit einer gewissen Kraft aufeinander. Da diese Flächen jedoch schräg zur Achse der Welle orientiert sind, entsteht eine Kraftkomponente in Achsenrichtung A, welche den Gleitring 7 von der Dichtfläche 6 entlastet und bei hinreichender Kraft sogar von diesem abhebt. Es kann daher nur eine geringe oder überhaupt keine Trockenreibung entstehen, welche die Dichtung abnützen oder zerstören könnte.

Wie in Fig. 4 gezeigt, kann anstatt der keilförmigen Vorsprünge 21 auch ein Element anderer Art vorgesehen sein, beispielsweise ein Stift oder eine Rolle 23. Voraussetzung ist lediglich, daß dieses Gegenstück auf einer schrägen Verschiebefläche 22′ zu gleiten oder abzurollen vermag.

Es wird bemerkt, daß die Anschlagfläche 22′′ auch anders ausgeführt sein kann, beispielsweise ebenfalls als Rolle 23′ und/oder als entgegengesetzt zur Gleitfläche 22′ geneigte Fläche, wodurch im Normalbetrieb eine zusätzliche Anpreßkraft oder eine Entlastungskraft des Gleitringes 7 an die Dichtfläche 6 erzeugt wird.

Vorteilhaft ist es, mehrere Rückstelleinrichtungen 19 am Umfang des Gleitringes 7 vorzusehen, vorzugsweise in symmetrischer Anordnung am Außenkranz, beispielsweise zwei Rückstelleinrichtungen diametral gegenüber oder eine größere Anzahl in sternförmiger Anordnung zwecks gleichmäßiger Krafteinleitung und Vermeidung eines Kippmomentes.

Claims (7)

1. Als axiale Gleitringdichtung ausgebildete Trockengasdichtung für eine drehende, durch eine Gehäusewand (2) geführte Welle (1) als Träger einer mit der Welle umlaufenden Wellenbüchse (3) mit einer Dicht­ fläche (6) und einem stationären Gleitring (7) mit einer mittels eines Gases an die Dichtfläche (6) gedrückten Gleitfläche (9′), wobei auf der Dicht­ fläche (6) und/oder Gleitfläche (9′) vom Außenrand (17) geneigt zur Radialrichtung (R) verlaufende Rillen (18) zur Schmierung der Dichtfläche (6) bzw. Gleitfläche (9′) mittels Druckaufbau vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entlastungs­ einrichtung (19) vorgesehen ist, welche bei einer Umkehr der Drehrichtung der Welle (1) bzw. der Relativdrehung zwischen Dichtfläche (6) und Gleitfläche (9′) eine Kraft entgegen der Anpreßrichtung des Gleitringes (9′) an die Dichtfläche (6) erzeugt.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungseinrichtung (19) eine am Außenkranz (11) des Gleitringes (7) oder der gegenüberliegenden Fläche (20) eines Dichtungshalters (7) vorgesehene Schrägführung (21′, 22′) aufweist, welche bei einer in der zur vorgesehenen Drehrichtung der Welle (1) entgegengesetzten Drehrichtung durch das durch die Reibung zwischen Dichtfläche (6) und Gleitfläche (9′) auf den Gleitring (7) ausgeübte Drehmoment eine Kraftkomponente entgegen der Anpreßrichtung des Gleitringes (7) an die Dichtfläche (6) erzeugt.

3. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägführung eine oder mehrere über den Umfang (11) des Gleitringes bzw. der gegenüberliegenden Gehäusewand (20) verteilte, gegen die Drehachse geneigte, mit einem Gegenelement im anderen Teil zusammenwirkende Verschiebeflächen (21′, 22′) aufweist.

4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebeflächen aus wenigstens einer zur Achsenrichtung schrägen Fläche (21′) am Außenkranz (11) des Gleitringes (7) bzw. an der gegenüberliegenden Fläche (20) des Dichtungshalters und einem damit zusammenwirkenden Gegenelement (22′, 23) im anderen Teil bestehen.

5. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenelement eine der schrägen Verschiebe­ fläche (21′) entsprechende schräge Gegenfläche (22′) aufweist.

6. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenelement eine mit der schrägen Verschiebefläche (21′) zusammenwirkende Rolle (23) aufweist.

7. Dichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß am Gleitring (7) mehrere symmetrisch über den Umfang (11) verteilte Entlastungs­ einrichtungen (19) vorgesehen sind.