DE4011710A1 - Umfangsdichtung fuer einen axialspalt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Umfangsdichtung für einen Axialspalt zwischen relativ zueinander drehenden Bauteilen.

Es sind vielfältige Anwendungen für eine derartige Umfangsdichtung denkbar. Eine besondere Anwendbarkeit derartiger Umfangsdichtung besteht bei regenerativen Wärmetauschern, bei denen eine Regenerator­ scheibe drehbar angeordnet ist, die von zwei entgegengesetzt parallel verlaufenden Gasströmen durchströmt wird. Dabei ist eine Abdichtung zwischen den Strömungskanalwänden und der Regeneratorscheibe notwen­ dig. Ein besonderes Problem stellt die hohe Temperatur des die Regen­ eratorscheibe beaufschlagenden Heißgases dar, die zum einen Wärme­ dehnungen und zum anderen Festigkeitsprobleme mit sich bringt. So sind Verformungen der Regeneratorscheibe einerseits beim Übergang von der Heißgas- (Gas) auf die Kaltgasseite (Luft), und andererseits abhängig vom Betriebszustand des Wärmetauschers, also der Temperatur des Heißgases unvermeidlich. Dieses wiederum hat einen signifikanten Spalt zwischen dem Regenerator und den Strömungskanalwänden zur Fol­ ge, dessen Abdichtung problematisch ist.

Die bisher bekannten Dichtungen sind entweder gänzlich berührungsfrei und arbeiten nach dem Prinzip der Spitzenlabyrinthe, oder sie sind als Berührungsdichtungen ausgeführt. Die erste Ausführung hat den Nachteil, daß aufgrund der relativ hohen Wärmedehnungen die Dicht­ spalte relativ groß gehalten werden müssen, was mit einem hohen Leck­ strom über die Dichtspalte verbunden ist. Die Berührungsdichtung andererseits ermöglicht zwar einen relativ geringen Leckstrom, an­ dererseits bringt diese Ausführung eine hohe Reibung sowie eine hohe erforderliche Antriebsleistung für die Regeneratorscheibe mit sich. Dies wiederum führt zu einer Wirkungsgradverschlechterung der mit diesem Wärmetauscher ausgerüsteten Anlage, beispielsweise einer Gasturbinenanlage.

Ausgehend von diesen vorbekannten Anordnungen ist es Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Umfangsdichtung anzugeben, die einerseits eine geringe Reibung zwischen den relativ zueinander bewegten Bauteilen aufweist, andererseits aber auch eine Minimierung der Leckverluste ermöglicht. Ferner soll ein möglichst jeglicher Verschleiß der Dichtung vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 an­ gegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Umfangsdichtung besteht darin, daß über die Distanzkugeln ein definierter Axialspalt zwischen den relativ zueinander drehenden Bauteilen, d. h. im besonderen zwi­ schen der Regeneratorscheibe und dem Strömungskanalgehäuse einge­ halten werden kann. Gleichzeitig ist aufgrund der wälzenden Bewegung der Distanzkugeln nur eine geringe Reibung vorhanden. Ein Dichtspalt zwischen der Umfangsdichtlippe und dem zweiten Bauteil, insbesondere dem Laufring, kann somit sehr gering ausgeführt werden, wodurch vor­ teilhafterweise die Leckströme minimierbar sind. Dies wirkt sich insbesondere wegen des relativ großen Außenumfanges des Strömungska­ nalgehäuses und der Regeneratorscheibe erheblich aus. Der Dichtspalt kann vorzugsweise kleiner 0,1 mm ausgeführt werden. Derartig geringe Dichtspalte lassen sich ohne die erfindungsgemäße Anordnung nicht erzielen, da die Regeneratorscheiben größeren Durchmessers geringe Eigensteifigkeiten aufweisen, und somit an den Rändern tellerartig durchhängen können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn beidseitig der mit den Distanz­ kugeln versehenen Laufrinne Dichtlippen angeordnet sind, wodurch eine gegenüber einer einzigen Dichtlippe nochmals wesentliche ver­ ringerte Spaltströmung möglich wird.

Der Dichtspalt kann dabei zwischen der Dichtlippe und dem Laufring ausgebildet sein, was wegen der damit verbundenen definierten Ver­ hältnisse zu bevorzugen ist. Bei einer exakten Montage kann anstelle des Laufringes auch ein entsprechend bearbeiteter ringförmiger Ober­ flächenabschnitt des zweiten Bauteiles zusammen mit der Dichtlippe den Dichtspalt bilden.

Die Distanzkugeln in der Laufrinne sind vorzugsweise Kugel an Kugel angeordnet, wodurch sich ein Käfig zur Konstanthaltung des Kuge­ labstandes erübrigt. Alternativ ist es aber auch denkbar, nur eine geringere Anzahl von Kugeln über den Umfang verteilt vorzusehen, wobei deren Abstand durch einen aus dem Lagerbau bekannten Käfig festgelegt ist. Letztere Ausführung hat den Vorteil einer geringeren Reibung, und eines geringeren Bedarfs an Distanzkugeln. Vorzugsweise sind die Distanzkugeln aus keramischen Werkstoffen, beispielsweise heißgepreßtem Siliziumnitrit (HPSN) gefertigt, da dieser Werkstoff eine geringe Wärmedehnung und einer nicht zu kleinen E-Modul besitzt. Hierdurch kannn die erfindungsgemäße Dichtung auch bei hohen Tem­ peraturen eingesetzt werden. Genauso kann der Tragring und/oder Laufring aus keramischen Werkstoffen gefertigt sein, was insbesondere wegen der relativ großen Erstreckung der beiden Ringe zweckmäßig ist, da metallische Werkstoffe größere Wärmedehnungen aufweisen. Bei der Verwendung von keramischen Distanzkugeln muß zumindest der Tragring aus einem Werkstoff gleicher Härte gefertigt sein. Ebenso sollte in diesem Fall die Laufrinne zumindest mit einer keramischen Schicht versehen sein, oder auf andere Weise gehärtet sein.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zwischen dem Tragring und dem ersten Bauteil Mittel zur Erzeugung einer Druck­ kraft vorgesehen sind. Im einfachsten Fall sind dies eine Anzahl über dem Umfang verteilter Spiralfedern, die an beabstandeten Punkten den Tragring in Axialrichtung vom ersten Bauteil wegdrücken bzw. die Distanzkugeln gegen den Laufring drücken. Diese Anordnung ist von Vorteil, um unter allen Betriebsbedingungen die Einhaltung des erfin­ dungsgemäßen geringen Dichtspaltes zu gewährleisten. Alternativ ist es auch möglich, anstelle von Spiralfedern oder sonstiger bekannter Federelemente einen metallischen schlauchartigen Ringwulst zwischen dem Tragring und dem ersten Bauteil vorzusehen, der mit erhöhten Innendruck beaufschlagt ist. Dieser wirkt federartig, und hat den Vorteil, daß auch bei hohen Temperaturen eine Federwirkung erhalten bleibt. Dies ist bei herkömmlichen Federn nicht der Fall.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, derartige Mittel zu Er­ zeugung einer Druckkraft zwischen dem Laufring und dem zweiten Bau­ teil vorzusehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläu­ tert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Umfangsdich­ tung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Um­ fangsdichtung,

Fig. 3 einen Teilaxialschnitt durch einen Regenerativwärmetauscher,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch den Regenerativwärme­ tauscher entlang der Linie IV-IV gemäß Fig. 3.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Umfangsdichtung 1a im Querschnitt gezeigt, die zwischen einem ersten 2a, und einem zweiten Bauteil 2b angeordnet ist. Zwischen diesen beiden Bauteilen 2a und 2b ist ein Axialspalt 3 vorhanden, der ohne die erfindungsgemäße Dichtung 1a von einem Gasstrom in der mit dem Pfeil 4 bezeichneten Richtung durch­ strömt wäre.

Die Umfangsrichtung 1a umfaßt einen Tragring 5, der in einer entspre­ chend ausgebildeten Umfangsnut 6 des ersten Bauteiles 2a eingelassen ist. Der Tragring 5 weist eine Laufrinne 7 für eine Anzahl von Di­ stanzkugeln 8 auf, die regelmäßig zueinander beabstandet sind, und in Umfangsrichtung die Laufrinne 7 entlang bewegbar sind. Die Di­ stanzkugeln 8 stützen sich an einem Laufring 9a ab, der in einer Umfangsnut 10 des zweiten Bauteiles 2b eingelassen ist.

Am Tragring 5 ist ferner eine Dichtlippe 11a angeformt, die zusammen mit dem zweiten Bauteil 2b einen Dichtspalt 12 definiert. Dieser Dichtspalt 12 weist gegenüber dem Axialspalt 3 eine wesentlich ver­ ringerte Höhe auf.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Die dort gezeigte Umfangsdichtung 1b weist zum Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführung zwei Dichtlippen 11a und 11b auf, die am Tragring 5 beidseitig der Laufrinne 7 für die Distanzkugeln 12 angeformt sind.

Der Laufring 9b dieser Ausführung erstreckt sich in Spaltrichtung bis über beide Dichtlippen 11a, 11b, um somit zwei Dichtspalte 12a und 12b zwischen den Dichtlippen 11a, 11b und dem Laufring 9b zu definieren. Diese Ausführung ermöglicht eine Minimierung der Spalt­ strömung. Die Dichtspalte 12 (Fig. 1) bzw. 12a, 12b (Fig. 2) be­ tragen etwa 0,05 mm, und sind vorzugsweise gleich groß.

In Fig. 3 ist ein Teilaxialschnitt durch einen Regenerativwär­ metauscher 13 dargestellt, der im wesentlichen aus einer Regenerator­ scheibe 14 besteht, die über die Welle 15 von einer nicht darge­ stellten Antriebsvorrichtung in Rotation gehalten wird. Axial beid­ seitig der Regeneratorscheibe 14 ist ein Gaszuströmkanal 16 und ein Gasabströmkanal 17 vorgesehen, über die ein die Regeneratorscheibe 14 durchströmenden Gasstrom zu- bzw. abgeführt wird.

In Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV gemäß Fig. 3 durch den Regenerativwärmetauscher 13 in einem verkleinerten Maßstab dargestellt. - In diesem Schnitt ist erkennbar, daß neben dem Gasab­ strömkanal 17 für kaltes Gas ein Zuströmkanal 18 für Heißgas ange­ ordnet ist, wobei die beiden Gasströme in den Kanälen 17 und 18 ent­ gegengesetzt gerichtet sind. Die Regeneratorscheibe 14 wird im Be­ reich des Heißgasströmungskanals 18 aufgeheizt, und erwärmt nach Drehung in dem Bereich des Gasabströmkanales 17 die jetzt ihn durch­ strömende kalte Gasströmung. Die Querschnitte der beiden Strömungs­ kanäle 17 und 18 sind ungleich, da das Heißgas wegen des geringen Drucks und der höheren Temperatur einen größeren Strömungsquerschnitt benötigt. Die erfindungsgemäße Umfangsdichtung 1a bzw. 1b (Fig. 1 und 2) dichtet entlang der gestrichelten Linie 19 die im Gasabströmkanal 17 bzw. im Heißgasströmungskanal 18 befindliche Gasströmung nach außen hin ab. Im Bereich der Trennwände 20a und b zwischen den beiden Strömungskanälen 17 und 18 ist eine herkömmliche, entlang der strichpunktierten Linie 21 wirkende Dichtung vorzusehen. Analog zum Außenumfang 19a ist die erfindungsgemäße Dichtung auch entlang des Innenumfangs 19b wirksam, um ein Eindringen von Gas in den Lagerungs­ bereich der Welle 15 zu verhindern.

Zurückkommend auf Fig. 3 ist die Regeneratorscheibe 14 an ihrem Au­ ßenumfang mittels der Umfangsdichtungen 1c und 1d abgedichtet, die entlang der Linie 19a gemäß Fig. 4 wirken. Hierdurch wird verhindert, daß ein Teil des Gasstroms außen die Regeneratorscheibe 14 umströmt und sich dem Wärmetauscher entzieht. Gegenüber Innen ist die Regene­ ratorscheibe 14 mittels der Umfangsdichtungen 1e und 1f abgedichtet, die entlang der Linie 19b gemäß der Fig. 4 wirken. Hierdurch wird ein Eindringen von Gas, insbesondere von der Heißgasseite her in den Bereich der Welle 15 bzw. deren Lagern 28 verhindert. Diese vier Umfangsdichtungen 1c bis 1f werden üblicherweise gleich ausgeführt sein. Lediglich zur Demonstrationszwecken sind in der Zeichnung vier verschiedene Ausführungsformen dargestellt.

Die Umfangsdichtung 1c weist einen schmalen Laufring 9a auf, der an der Regeneratorscheibe 14 angebracht oder in diese eingelassen ist. Ferner ist der Tragring 5 in einer Führungsnut 22 des Strömungskanal­ gehäuses 23 geführt, wobei durch über den Umfang verteilte Druckfe­ dern 24 die Distanzkugeln 8 gegen den Laufring 9a gepreßt werden, so daß die beiden beidseitig der Distanzkugeln 8 vorhandenen Dichtspalte 12a, 12b unter allen Betriebsbedingungen minimiert gehalten werden können.

Die Ausführungsform der Umfangsdichtung 1d weist demgegenüber einen verbreiterten Laufring 9b auf, und entspricht im wesentlichen der in Fig. 2 dargestellten Ausführung der Umfangsdichtung 1b. Im Strömungs­ kanalgehäuse 23 ist wiederum eine Führungsnut 25 eingelassen. Ein metallischer Ringwulst 26, der innenseitig mit Druck von der Kaltgas­ seite, also mit relativ kühlen Gas bzw. Luft beaufschlagt ist, be­ wirkt eine Anpressung des Tragringes 5 in Richtung dem Laufring 9b, wobei eine definierte Führung des Tragringes 5 durch die Führungsnut 25 gewährleistet ist. Der Überdruck beträgt etwa 3 bar.

Die Umfangsdichtung 1e am Innenumfang des Gaszuströmkanales 16 weist nur eine Dichtlippe 11c auf, so daß nur ein Dichtspalt vorgesehen ist. Schließlich entspricht die Umfangsdichtung 1f im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Ausführung 1a.

Zweckmäßigerweise wird man zur Abdichtung des Gasabströmkanales 17 auf der Kaltgasseite, dem die Zuströmung auf der Heißgasseite ent­ spricht, die Ausführung 1d wählen, da hier die höchsten auftretenden Temperaturen liegen. Vorzugsweise werden bei dieser Ausführung Di­ stanzkugeln 8, der Laufring 9b sowie der Tragring 5 aus keramischen Werkstoffen gefertigt sein.

Im Bereich des relativ kühleren Gaszuströmkanales 16 der Kaltgasseite kann hingegen die Ausführungsform 1c angewendet werden, da dort keine so hohen Temperaturen auftreten, und Druckfedern 24 zur Erzeugung des Anpreßdruckes angewendet werden können, wobei die Kammern zur Aufnah­ me dieser Federn durch Einführung minimaler Mengen Luft "klimatisiert" werden können. Die Distanzkugeln 8 weisen vorzugsweise Durchmesser von 4 bis 15 mm auf, wobei sich 8 bis 10 mm als besonders gut wirkend herausgestellt haben. Die Regeneratorscheibe hat übli­ cherweise einen Durchmesser von 400 bis 800 mm.

Um ein Durchhängen der Regeneratorscheibe 14 zu verhindern, ist es möglich, Axiallager 27a, b, vorzusehen, die über nicht dargestellte Stützvorrichtungen am Strömungskanalgehäuse 16 abgestützt sind. Diese Axiallager 27a und 27b stützen die Regeneratorscheibe 14 etwa am halben Außenumfang ab. Sie können auf gleiche Weise wie die Umfangs­ dichtungen 1a bis 1f ausgeführt sein, nur daß es auf die Ausbildung der Dichtlippen 11a bis c nicht ankommt. Diese Axiallager 27a, b die­ nen nicht der eigentlichen Lagerung der Regeneratorscheibe 14, son­ dern dazu, den Dichtspalt der radial entlang der Linien 21 wirkenden Dichtleisten zu gewährleisten, wenn die Regeneratorscheibe 14 sich aus thermischen Gründen schirmartig deformiert.

Claims (12)

1. Umfangsdichtung für einen Axialspalt zwischen relativ zueinander drehenden Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß an einem ersten Bauteil (2a) ein Tragring (5) mit einer Laufrinne (7) und min­ destens einer angeformten, in den Axialspalt (3) ragenden Um­ fangs-Dichtlippe (11a, 11b) angebracht ist, und in der Laufrinne (7) eine Anzahl Distanzkugeln (8) angeordnet sind, die sich an einem zweiten Bauteil (2b) angebrachten Laufring (9a, 9b) wälzend abstützen, wobei zwischen der Dichtlippe (11a, 11b) einerseits und dem Laufring (9a, 9b) oder dem zweiten Bauteil (2b) anderer­ seits ein Dichtspalt (12a, 12b) geringer Höhe vorhanden ist.

2. Umfangsdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Dichtlippen (11a, 11b) beidseitig der Laufrinne (7) ausgebildet sind.

3. Umfangsdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Laufring (9a, 9b) beidseitig der Berührungslinie mit den Distanzkugeln (8) derart erstreckt, daß der (die) Dicht­ spalt(e) (12a, 12b) zwischen der (den) Dichtlippe(n) (11a, 11b) und dem Laufring (9a, 9b) ausbildet.

4. Umfangsdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzkugeln (8) aus Keramik gefertigt sind.

5. Umfangsdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (5) und/oder der Laufring (9a, 9b) aus Keramik gefertigt sind.

6. Umfangsdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtspalt (11a, 11b) eine Höhe kleiner 0,1 mm, vorzugsweise etwa 0,05 mm aufweist.

7. Umfangsdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Bauteil (2a) und dem Tragring (5) Mittel zur Erzeugung einer Anpreßkraft vorgesehen sind.

8. Umfangsdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Laufring (9a, 9b) und dem zweiten Bauteil (2b) Mittel zur Erzeugung einer Anpreßkraft vorgesehen sind.

9. Umfangsdichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als über dem Umfang verteilte Druckfedern (24) ausgebildet sind.

10. Umfangsdichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als gasdruck-beaufschlagter Ringwulst (26) aus­ gebildet sind, der zwischen dem Laufring (9b) und einem Bauteil (2a, 2b) vorgesehen ist.

11. Umfangsdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie für einen rekuperativen Wärmetauscher (13) zur Abdichtung der Umfangsspalte zwischen und einer Rekuperatorscheibe (14) und einem Strömungskanalgehäuse (23) ver­ wendet wird, wobei das Strömungskanalgehäuse (23) das erste (2a), und die Regeneratorscheibe (14) das zweite Bauteil (2b) sind.

12. Umfangsdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige Axiallager (27a, b) mindestens auf einer Seite der Regeneratorscheibe (14) etwa auf halben Seitenum­ fang mit gehäuseseitiger Abstützung vorgesehen sind.