DE3942408A1 - Trockenlaufende gasdichtung - Google Patents
Trockenlaufende gasdichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine als axiale Wellendichtung
ausgebildete trockenlaufende Gasdichtung für eine
drehende, durch eine Gehäusewand geführte Welle mit
einer mit der Welle umlaufenden Wellenbüchse als Träger
eines Dichtkörpers mit einer Dichtfläche und einem
stationären Gleitring mit einer mittels Gas an die
Dichtfläche gedrückten und mit diesem geschmierten
Gleitfläche, wobei ein gasgefüllter Spalt zwischen
Dichtfläche und Gleitfläche aufrechterhalten ist.
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 Zwischenkamner abzudichten, um ein
Ausströmen des Mediums aus dem Innenraum zu verhindern.
Dies erfolgt mittels eines als Sperrmedium dienenden
Gases, welches die Gleitfläche des Gleitringes an die
Dichtfläche drückt und somit den Austritt von Gas aus
dem Innenraum minimalisiert. Gleichzeitig wird ein
gasgefüllter Spalt zum berührungslosen Lauf der
Dichtung gebildet. Dabei wird angestrebt, im Betrieb
einen gleichmäßigen Spalt mit einer vom Abstand von
der Welle nahezu unabhängigen Weite von einigen
Mikrometern aufrechtzuerhalten.
Bei einer Druckstörung kann ein solcher Spalt dazu
tendieren, sich zu schließen, bis hin zu einer
unerwünschten Berührung der Dichtfläche und der
Gleitfläche. Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur
Erhöhung der Steifigkeit des Gasspaltes diesen Nachteil
dadurch zu beseitigen, daß sich der Dichtspalt nach
aussen, d. h. mit zunehmenden Abstand von der Welle,
leicht erweitert. Durch diese sogenannte "V"-Form wird
eine größere Gassteifigkeit erreicht, so daß eine
größere Gegenkraft gebildet wird, die eine Berührung
der beiden Flächen verhindert. Die gewünschte "V"-Form
wurde durch die Formgebung der einzelnen Dichtungsteile
und deren Zusammenwirken zu erreichen versucht. So
wurde einerseits die Wellenbüchse so ausgebildet, daß
der Dichtkörper in der inneren, der Welle benachbarten
Zone auf einer Ringfläche der Wellenbüchse aufliegt,
während er außen einen kleinen Spalt bildet. In der
mittleren Zone war ein O-Dichtungsring in die
Wellenbüchse eingelassen. Bei Einwirkung des
Sperrgasdruckes quetscht sich dieser O-Ring jedoch in
den Spalt, so daß die Gefahr einer Beschädigung
besteht und dadurch die Dichtwirkung beeinträchtigt
wird. Andererseits deformieren die einwirkenden
Radialkräfte den stationären Gleitring, so daß die
gewünschte V-Form des Spaltes entsteht. Ein solcher
V-förmiger Dichtspalt ist bei der in der Praxis
erforderlichen kleinen Baulänge jedoch nur beschränkt
einstellbar.
Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, bei der eingangs
angegebenen trockenlaufenden Gasdichtung einen
V-förmigen, sich nach außen leicht erweiternden
Dichtspalt auf unterschiedliche Anforderungen und
Betriebsbedingungen einstellen zu können, wobei die
Dichtung ohne erhebliche konstruktive Änderungen bei
bestimmten Gasdrücken und Wellendrehzählen optimal
arbeitet, d. h. eine möglichst kleine Leckage bei
möglichst großer Betriebssicherheit aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß zwischen Dichtkörper und Wellenbüchse etwa in
mittlerem Abstand von der Welle ein flexibler
Dichtungsring vorgesehen ist, daß unmittelbar innen
anschließend an den Dichtungsring der Dichtkörper
mittels eines koaxialen Steges auf der Wellenbüchse
aufliegt, so daß der Dichtungsring unmittelbar auf der
Außenseite des Steges angedrückt ist, und daß äuf der
Rückseite des inneren Teiles des Gleitringes ein in
Achsenrichtung verschiebbarer und gegen den Gleitring
und die Gehäusewand bzw. ein damit verbundenes Bauteil
abgedichteter Stützring vorgesehen ist, welcher in der
inneren, der Welle benachbarten Zone mittels eines
weiteren koaxialen Steges auf die Rückseite des
Gleitringes drückt, wobei der Abstand des Steges am
Stützring von der Welle so gewählt ist, daß die durch
den Gasdruck gebildete, den Gleitring an den
Dichtkörper pressende Kraft eine Resultierende erhält,
welche in Richtung einer Vergrößerung des Dichtspaltes
mit zunehmendem Abstand von der Welle wirkt.
Der Angriffspunkt der resultierenden Kraft wird hierbei
durch die Lage des Steges am Stützring, d. h. durch
dessen Abstand von der Welle oder deren Achse,
bestimmt. Durch eine Änderung der Lage kann daher die
einer Schließung des Spaltes im Störungsfalle
entgegenwirkende Gegenkraft eingestellt werden. Auf
besonders einfache Weise ist dies durch Auswechslung
des Stützringes gegen einen Stützring mit anderem
Durchmesser und Position des Steges möglich.
Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 und 2 näher
erläutert. Diese zeigen in einem Schnitt längs der
Wellenachse ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen trockenlaufenden axialen
Wellendichtung, sowie einen vergrößerten Ausschnitt
derselben.
Bei dem in den Figuren dargestellten Beispiel ist eine
Welle 1 dichtend durch die Gehäusewand 2,
beispielsweise einer Turbomaschine, von einer Stelle
höheren Druckes pi zu einer Stelle tieferen Druckes pa
geführt. Die Dichtung weist eine auf die Welle 1
aufgesetzte Wellenbüchse 3 auf, die auf ihrer
Außenseite einen Dichtkörper 5 trägt, welcher auf
seiner Außenseite eine kreisringförmige Dichtfläche 6
bildet. Vorzugsweise ist der Dichtkörper 5 aus einem
Hartmetall ausgeführt, beispielsweise aus
Siliziumkarbid, oder einem anderen Material mit
ähnlichen Gleiteigenschaften.
Die Wellenbüchse 3 weist zwischen ihrem mittleren und
ihrem inneren, der Welle benachbarten Teil ihrer
Radialfläche, einen zur Welle 1 koaxialen ringförmigen
Steg 13 auf, auf welchem der Dichtkörper 5 mit seiner
Rückseite aufliegt, während der Dichtkörper 5 mit der
Wellenbüchse 3 sowohl in der Zone innerhalb des Steges
13 und außerhalb desselben einen minimalen Spalt
bildet. Der Steg 13 wird auf der Außenseite 13′
unmittelbar von einer in eine Nut der Wellenbüchse 3
eingelassene O-ringförmige Dichtung 8 umgeben.
In die die Wellendurchführung bildende Bohrung der
Gehäusewand 2 ist ein Dichtungshalter 2′ eingeführt,
welcher einen Teil der Gehäusewand 2 bildet, und in
welchem ein stationärer, d. h. nicht-rotierender, aber
axial etwas verschiebbarer Gleitring 7 sitzt, welcher
auf seiner nach innen gekehrten Seite einen Gleitkörper
9 mit einer der gegenüberliegenden Dichtfläche 6
zugekehrten Gleitfläche 9′ aus einem Material guter
Gleiteigenschaft, z. B. einem kohlekeramischen
Werkstoff, trägt.
Über eine Leitung 10 wird der Wellendichtung vom
Gehäuse 2 aus ein Gas mit einem Druck ps zugeführt,
welcher ein wenig höher sein kann als der abzudichtende
Druck pi der Turbomaschine. Dabei kann das Gas der
Turbomaschine selbst entnommen oder als externes
Fremdgas zugeführt werden. Durch einen Spalt 11
zwischen dem Dichtungshalter 2′ und dem Gleitring 7
gelangt das Gas auf die Rückseite des Gleitringes 7 und
drückt diesen an den Dichtkörper 5 an. Gleichzeitig
wird jedoch durch das zugeführte Gas im Dichtspalt S
ein Gasfilm von einigen Mikrometern Dicke gebildet,
welcher eine berührungslose Dichtung bewirkt. Dabei
kann die Schmierung der Gleitflächen in bekannter Weise
erfolgen, z. B. aerodynamisch über Taschen oder Rillen
in der Gleitfläche oder Dichtfläche, oder aerostatisch
mit Gaszuführung durch den Gleitkörper hindurch zur
Gleitfläche. Das durch den Dichtspalt und die
verschiedenen Dichtungsringe hindurchtretende Leckgas
wird über eine Leitung 12 nach außen abgeführt.
Auf der Rückseite des Gleitringes 7 ist in einer
Innenkerbe desselben, der Welle 1 zugekehrt, ein
Stützring 4 eingesetzt, welcher axial verschieblich und
gegen den Gleitring 7 und den Dichtungshalter 2′
abgedichtet ist. Auf der dem Gleitring 7 zugekehrten
Seite des Stützringes 4 ist ein weiterer koaxialer
ringförmiger Steg 14 vorgesehen, mit welchem der
Stützring 4 auf den Gleitring 7 drückt. Die Position
des Steges 14 und dessen Abstand von der Achse A der
Welle 1 ist so gewählt, daß die von der Rückseite des
Stützringes 4 aufgenommene Druckkraft des Sperrgases än
einer relativ weit innen liegenden Stelle auf den
Gleitring 7 übertragen wird. Die aus der auf die
Rückseiten des Gleitringes 7 und des Stützringes 4
wirkende Druckkraft erhält durch den Steg 14 eine
resultierende Kraft, welche relativ weit innen und der
Welle benachbart angreift, so daß mit der
resultierenden Kräft des Druckes im Dichtspalt S ein
Kräftepaar auf den Gleitring 7 wirkt und diesen derart
verformt, daß der Dichtspalt in der inneren, der Welle
2 benachbarten Zone, stärker zusammengedrückt wird als
in der äußeren, von der Welle 1 entfernteren Zone.
Dabei überwiegt die Verformung des Gleitringes 7,
welche in Richtung zu einem V-förmigen Spalt tendiert,
die in der anderen Richtung wirkende Verformung des
Dichtkörpers 5. Somit wird im Betrieb ein sich nach
außen leicht erweiternder, d. h. V-förmiger Spalt,
sicher aufrechterhalten.
Stätt wie beschrieben als auf der Radialfläche der
Wellenbüchse 3 ausgebildeter Absatz kann der erste Steg
13 auch am Dichtkörper 5 und der weitere Steg 14 auch
am Gleitring 7 anstatt am Stützring 4 vorgesehen sein.
Die Form des Dichtspaltes S kann dabei durch die
Position des ringförmigen Steges 14 des Stützringes 4,
d. h. durch dessen Abstand von der Welle 1 eingestellt
werden. Die Anpassung an veränderte Betriebsbedingungen
kann dabei auf einfache Weise durch Auswechseln des
Stützringes 4 gegen einen solchen mit einer änderen
Position des Steges 14 erreicht werden. Somit läßt
sich die Gasdichtung auf einfache Weise ohne
konstruktive Änderungen an unterschiedliche
Betriebsbedingungen und Anforderungen, d. h.
unterschiedliche Gasdrücke und Wellendrehzahlen,
anpassen, wobei durch die individuell wählbare
Rückstellkraft eine Spaltform mit geringstmöglicher
Leckage bei größtmöglicher Sicherheit erreicht wird.
Außerhalb der beschriebenen Gasdichtung ist zur
Erzielung einer noch besseren Dichtwirkung oder als
Notdichtung im Störungsfall eine zweite analog
aufgebaute berührungslose Dichtung 15 vorgesehen, auf
die jedoch gegebenenfalls auch verzichtet werden kann.
Claims (6)
1. Als axiale Wellendichtung ausgebildete
trockenlaufende Gasdichtung für eine drehende,
durch eine Gehäusewand (2) geführte, Welle (1) mit
einer mit der Welle (1) umläufenden Wellenbüchse
(3) als Träger eines Dichtkörpers (5) mit einer
Dichtfläche (6) und einem stationären Gleitring
(7) mit einer mittels Gas an die Dichtfläche (6)
gedrückten und mit diesem geschmierten Gleitfläche
(9′), wobei ein gasgefüllter Spalt (S) zwischen
Dichtfläche (6) und Gleitfläche (9′)
aufrechterhalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen Dichtkörper (5) und Wellenbüchse (3) etwa
in mittlerem Abstand von der Welle (1) ein
flexibler Dichtungsring (8) vorgesehen ist, daß
unmittelbar innen anschließend an den
Dichtungsring (8) der Dichtkörper (5) mittels
eines koaxialen Steges (13) auf der Wellenbüchse
(3) aufliegt, so daß der Dichtungsring (8)
unmittelbar auf der Außenseite (13′) des Steges
(13) angedrückt ist, und daß auf der Rückseite
des inneren Teiles des Gleitringes (7) ein in
Achsenrichtung verschiebbarer und gegen den
Gleitring (7) und die Gehäusewand (2) bzw. ein
damit verbundenes Bauteil (2′) abgedichteter
Stützring (4) vorgesehen ist, welcher in der
inneren, der Welle (1) benachbarten Zone mittels
eines weiteren koaxialen Steges (14) auf die
Rückseite des Gleitringes (7) drückt, wobei der
Abstand des Steges (14) am Stützring (4) von der
Welle (1) so gewählt ist, daß die durch den
Gasdruck (ps) gebildete, den Gleitring (7) an den
Dichtkörper (5) pressende Kräft eine
Resultierende erhält, welche in Richtung einer
Vergrößerung des Dichtspaltes (S) mit zunehmendem
Abstand von der Welle (1) wirkt.
2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gleitfläche (9′) auf einem vom Gleitring
(7) getragenen Gleitkörper (9) vorgesehen ist.
3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stützring (4) auf einer
der Welle (1) zugekehrten Innenkerbe des
Gleitringes (7) vorgesehen ist.
4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Gleitring (7) in einem
fest mit der Gehäusewand (2) verbundenen und einen
Teil derselben bildenden Dichtungshalter (2′)
axial verschiebbar angeordnet ist.
5. Dichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Steg (13) zwischen
Wellenbüchse (3) und Dichtkörper (5) als Absatz
der Radialfläche der Wellenbüchse (3) ausgebildet
ist.
6. Dichtung nach einem der Ansprüche 1-5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (4)
gegen einen anderen Stützring mit änderer Position
des ringförmigen Steges (14) auswechselbar ist.
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