DE4119768A1 - Spiralnuten-axial-wellendichtring - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralnuten-Axial-Wellendichtring als eine Abart der gegenläufigen Gewindewellendichtung mit selbsttätiger Dichtspalteinstellung und zwar in zusammengefaßter Bauweise mit einer zusätzlichen Elastomerdichtlippe für die Abdichtung bei Wellenstillstand.

Der einfache Gewinde-Radial-Wellendichtring nach DE 39 40 175 A1, bei dem der Hoch- und der Niederdruck eingesetzt werden sollten, um automa­ tisch einen engen Dichtspalt über den Dämmen eines Fluidfördergewindes herzustellen, mußte aufgegeben werden, weil das System keine eindeutige Dichtheit sichert, sondern bei gleichbleibender Anpressung aber geänder­ tem Dichtspalt auch Fluid fördern kann. Dennoch ist die Grundidee gut, einen anders nicht erzeugbar engen Dichtspalt selbsttätig bilden zu lassen, damit die berührungslose verschleißarme Gewindewellendichtung zu einem handlichen Dichtring zusammenschrumpft und gleichzeitig ihren besten Wirkungsgrad entwickelt. Um aber neben der Spaltweite auch den Nulldurchfluß einstellen zu können, benötigt man eine zweite Reguliermög­ lichkeit. Diese ergäbe sich bei der Abdichtung zwischen Fluid und Gas z. B. mit zwei gegenläufigen Fluidfördergewinden unter dem selbsttätig angepreßten Gleitring, weil dann das gasseitige automatisch seine aktive Länge auf die Null-Fluidförderung einstellen würde.

Für große Wellendurchmesser lassen sich auf diese Weise gute Wellen­ dichtringe für einen großen Betriebsdruck- und Drehzahlbereich konstru­ ieren. Bei kleineren Wellen bereiten sich widersprechende Anforderungen an den Gleitring jedoch große, schließlich nicht mehr mit tragbarem Aufwand überwindbare Schwierigkeiten, besonders, weil die Elastizität des Gleitringes mit dem Durchmesserquadrat abnimmt.

Führt man aber anstelle der Fördergewinde in der normalen Wellenober­ fläche eine radiale Wellenfläche mit eingeprägten Fluidförder-Spiralnut­ feldern ein, so entfallen die aus der Gleitringverformung folgenden Probleme, und für alle Wellendurchmesser bieten sich einfache Lösungen. Mikroenge Dichtspalte können realisiert werden und gewährleisten die berührungslose Erzeugung hoher Sperrdrücke bei kleiner radialer Erstrec­ kung der Spiralnutfelder, so daß trotz radialer Arbeitsfläche handliche Wellendichtringe entstehen für bislang mit solchen nicht bewältigbare Umfangsgeschwindigkeiten und Druckdifferenzen bei Wellendurchführungen mit Fluid auf der einen und Gas auf der anderen Seite der Gehäusewand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Spiralnuten-Axial-Wellen­ dichtringe als kompakte Einbauelemente nach dem Arbeitsprinzip der ge­ genläufigen Gewindewellendichtung mit selbsttätiger Minimalspalteinstel­ lung für die Absperrung bei Wellenrotation wie auch bei Wellenstillstand von Hochdruckfluid gegen Niederdruckgas oder von Hochdruckgas gegen Niederdruckfluid zu entwerfen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in drei Schritten gelöst:
Erstens werden die beiden gegenläufigen Fluidfördergewinde als neuar­ tige Spiralnutenringfelder auf die vordere, zur Niederdruckseite weisen­ de Stirnfläche eines frei von fester Berührung mit dem Sperrfluid in einer Gehäusenut umlaufenden Wellenflansches übertragen. In den kreis­ ringflächigen zur Wellenachse konzentrischen Fluidförder-Spiralnutfel­ dern laufen zahlreiche schmale flache Nuten zwischen schmalen Dämmen spiralig schwach zur Tangente geneigt vom Innenrand zum Außenrand, und zwar so geneigt, daß sie bei Wellenrotation das in ihnen befindliche Fluid infolge dessen Reibung an der gegenüberliegenden Gehäusewand im inneren Feld radial nach außen und im äußeren Feld radial nach innen befördern oder zumindest befördern wollen. Das heißt, daß sie, wenn sie das Fluid nicht weitertransportieren können, in ihm einen in Förder­ richtung ansteigenden Druck erzeugen. Für die Förderfunktion wandern die Spiralnuten des inneren Feldes in Umlaufrichtung der Welle allmäh­ lich nach innen, die des äußeren Feldes allmählich nach außen. Zwischen den beiden Fluidförder-Spiralnutfeldern liegt eine trennende Ringnut in der Vorderseite des Wellenflansches. Im Gehäuse befindet sich ihnen gegenüber eine glatte ebene radiale Gegenwand.

Zweitens wird der Dichtspalt zwischen den Fluidförder-Spiralnutfeldern und der Gegenwand einstellbar gestaltet. Dazu wird der im folgenden Gleitflansch genannte Wellenflansch geringfügig axial verschiebbar, aber dicht und drehfest auf der Welle angebracht und auf der Rückseite mit den an der Dichtung anstehenden Drücken, dem Hoch- und dem Nieder­ druck, derartig beaufschlagt, daß er den gleichen Axialschub zur Nieder­ druckseite hin erfährt, mit dem das Druckgebirge im Dichtspalt auf die Vorderseite drückt. Der Fluiddruck steigt über dem inneren Fluidförder-Spi­ ralnutfeld vom Niederdruck am Innenrand auf einen über dem Hochdruck liegenden Sperrdruck in der Zwischennut an und fällt über dem äußeren Fluidförder-Spiralnutfeld zum Außenrand hin vom Sperrdruck auf den Hoch­ druck ab. Um eine entsprechende Anpreßdrucklast auf die Gleitflansch­ rückseite zu bekommen, wird letztere in eine innere Niederdruckzone und eine äußere Hochdruckzone aufgeteilt, die beide an den Wellenspalt der jeweiligen Dichtungsseite angeschlossen werden. Hierfür erhält die Welle zur Niederdruckseite hin einen radial nach innen einspringenden Absatz, in den der Gleitflansch, der auch nach außen über die Welle vorsteht, entsprechend der notwendigen Flächenaufteilung eingreift.

An seiner Rückseite wird der Gleitflansch mit einer nach hinten auskra­ genden Führungsbuchse versehen, die in spielfreiem Schiebesitz auf den dickeren Teil der Welle geschoben wird. Die Abdichtung des Schiebesitzes erfolgt durch einen in eine Ringnut in diesem Wellenabschnitt eingesetz­ ten weichen Elastomer-O-Dichtring, welcher von der Führungsbuchse in die Nut hinein zusammengepreßt wird. Dadurch wird der Umfang des dicke­ ren Wellenteils zur Trennlinie zwischen der Hoch- und der Niederdruck­ zone auf der Gleitflanschrückseite, denn der Niederdruck dringt durch die Innenbohrung des Gleitflansches in den radialen Spalt zwischen der Absatzwand an der Welle und dem inneren Bezirk der Gleitflanschrückseite ein, während der Hochdruck ohnehin auf die übrige Rückseite gelangt.

Ein Satz von komprimierten kräftigen kurzen Spiralfedern steckt sowohl in Sacklöchern in der Absatzwand an der Welle als auch in solchen in der Rückseite des Gleitflansches und überträgt die Wellendrehung auf diesen und preßt ihn gleichzeitig gegen die radiale Gegenwand im Maschi­ nengehäuse. Die Kraft der Spiralfedern stellt eine Voranpressung dar, die bei der Auslegung des geschilderten Schubgleichgewichtes zu berück­ sichtigen ist. Die Gegenwand wird als massiver glattgeschliffener Ring ausgebildet und druckdicht in das Maschinengehäuse eingeschraubt. Alter­ nativ kann auch ein fester Ring als Dichtringgehäuserückwand in eine Aufnahmenut im Maschinengehäuse eingepreßt oder -geklebt werden, in welchen die Gegenwand dann dicht eingeschraubt wird. Bei einem weiteren Beispiel wird die radiale Gegenwand zusammen mit einer eindichtenden und den toleranzmäßigen Axialversatz ausgleichenden Elastomerschicht in eine konische Radialnut im geteilten Maschinengehäuse eingesetzt.

Drittens wird entweder an der Vorder- oder der Rückseite des Spiralnu­ ten-Axial-Wellendichtringes oder an beiden Orten eine feststehende oder mitumlaufende Elastomerdichtlippe vorgesehen, die sich als Rück­ schlagventil bei Wellenstillstand auf einen Anschlag an der Welle oder im Maschinen- bzw. Dichtringgehäuse setzt, um zu dichten und das Sperr­ fluid in der berührungslosen Dichtung zu halten. Damit diese betriebsbe­ reit bleibt. Im Betriebszustand schaffen die Fluidförder-Spiralnutfelder Druckverhältnisse, welche die jeweilige Dichtlippe berührungsfrei neben die Anschlagfläche stellen. Mitumlaufende Dichtlippen werden so gestal­ tet, daß ihre eigene Fliehkraft das Abheben unterstützt. Steht das Fluid niederdruckseitig an, so kann man in die Gleitflanschführungsbuchse eine schräg nach außen stehende Elastomerdichtlippe einbauen, die sich bei Wellenstillstand an eine radiale Innenfläche im Dichtringgehäuse legt, sich unter Fliehkraft und Gasdruck aber aufrichtet und einen Spalt freigibt. Bei Fluid auf der Hochdruckseite wird die Dichtlippe in die Innenbohrung der Gegenwand eingesetzt und bei Wellenstillstand vom vor­ dringenden Fluid gegen einen auf die Welle geklebten Ring gedrückt.

Der nach diesen Regeln gebaute Spiralnuten-Axial-Wellendichtring ge­ währt bei der Abdichtung von Hochdruckgas gegen Niederdruckfluid und von Hochdruckfluid gegen Niederdruckgas Dichtheit in einem großen Be­ triebsbereich der Drücke und der Drehzahl, kann aber bei der Abdichtung von Hochdruck- gegen Niederdruckfluid nur in einem einzigen schwer treff­ baren Auslegungspunkt restlos dicht sein. Das liegt daran, daß in den beiden ersten Fällen eine zweite selbsttätige Parametereinstellung wirk­ sam ist, die im dritten Fall fehlt, und die darin besteht, daß das gas­ seitige Fluidförder-Spiralnutfeld sich selbst durch ein Herauspumpen oder Hereinlassen von Fluid schmälert oder verbreitert und sich dabei schwächt oder stärkt. Der Gleitflansch ist auf diese Einstellfähigkeit einmal angewiesen, um die Feinjustierung der Auslegung selbsttätig vor­ nehmen zu können, und zum anderen, um betriebsparameterabhängige Abstim­ mungsverschiebungen zwischen den Schüben auf seine Vorder- und seine Rückseite ausgleichen zu können.

Während in einem konventionellen Fluidfördergewinde der Fluiddruck linear über der Gewindelänge ansteigt, wächst er in einem nach außen fördernden Fluidförder-Spiralnutfeld quadratisch mit dem Drehradius und nimmt in einem nach innen fördernden quadratisch zu diesem ab, weil dieser sowohl für die Länge des viskosen Arbeitsweges als auch für die Umfangsgeschwindigkeit maßgebend ist. Die Abhängigkeiten der Drucker­ zeugung von der Wellendrehzahl und der Fluidviskosität sind dabei linear, während die von der Dichtspalthöhe reziprok quadratisch ist. Außerdem erzeugt die Fliehkraft in dem mit dem Gleitflansch mehr oder weniger mitkreisenden Fluid einen zusätzlichen mit dem Drehradius quadratisch nach außen anwachsenden Druck, der sich dem reibungsverursachten positiv und negativ überlagert, im allgemeinen aber erheblich kleiner ist als jener.

Zur genauen Berechnung der Druckverhältnisse wären Differentialglei­ chungen aufzustellen und zu lösen. Überschlägig kann jedoch festgestellt werden, daß Änderungen der Drehzahl, der Viskosität und der erforderli­ chen Druckerzeugung sich durch Anpassung der Dichtspalthöhe nur unter Änderung der Kurvenkrümmungen und damit des Verhältnisses der Kraftinte­ grale kompensieren lassen. Während nun der Schub auf die Gleitflansch­ rückseite fast linear mit dem anstehenden Differenzdruck verbunden ist, weichen aber auch die Druckverläufe in den Fluidförder-Spiralnutfeldern nicht allzu stark von der Linearität ab, weil die Feldbreiten aufgrund der engen Dichtspalte und der hohen Förderkraft im Vergleich zum Dreh­ radius klein sind. Aus diesem Grund ist nur eine geringförmige Anpassung der aktiven Feldbreite des gasseitigen Fluidförder-Spiralnutfeldes bei Variation des Betriebszustandes erforderlich, die von der gewählten Anordnung automatisch geleistet wird.

Betrachtungen der Beschleunigungsverhältnisse zeigen, daß der Gleit­ flansch sich sehr viel schneller in seine neue Position begibt als das Fluid, so daß keine Gefahr besteht, daß die Fluidförder-Spiralnutfelder bei sprunghaft er gasseitiger Druckerhöhung leergeblasen und außer Kraft gesetzt werden können, oder daß bei plötzlicher Druckabsenkung Fluid auf die Gasseite hinübergefördert wird. Die träge Reaktion des Fluids macht den Spiralnuten-Axial-Wellendichtring schwingungsunempfindlich und -dämpfend und gewährleistet, daß er sich bei periodisch schwankendem Druck auf den mittleren Druck einstellt.

Wenn auch bei der Abdichtung von Hochdruckfluid gegen Niederdruckfluid der Spiralnuten-Axial-Wellendichtring bestenfalls im schwer treffbaren Auslegungspunkt ganz dicht sein kann, so kann er doch in den Fällen, in denen ein geringer Fluidfluß nach einer Seite hin zulässig und viel­ leicht sogar erwünscht ist, eingesetzt werden, z. B. bei Hydraulikmaschi­ nen und Wasserturbinen. Selbst in den beiden anderen Dichtfällen könnte man, obwohl es vermeidbar ist, gezielt einen geringen Leckfluß durchlas­ sen oder Fluid zur Druckseite hinüberpumpen, z. B. aus Sicherheitsgründen bei wassergekühlten Dampf- und Gasturbinen, bei denen Spiralnuten-Axi­ al-Wellendichtringe den Eintritt des Kühlwassers in den Rotor hinein und den Austritt aus ihm heraus mit dem Kühlwasser als Sperrfluid ab­ dichten.

In den Figuren und deren Erläuterung wird für den Dichtfall "Hochdruck­ gas gegen Niederdruckfluid" in zwei Diagrammen mit den Druckverläufen auf der Gleitflanschvorder- und -rückseite gezeigt, wie das Dichtsystem bei Start der Wellenrotation sowie bei Halbierung des Hochdruckes ins Gleichgewicht läuft. Die anderen Fälle können analog betrachtet werden.

Der Dichtspalt stellt sich automatisch umso enger ein, je geringer die radiale Breite des Gleitflansches, bzw. der Fluidförder-Spiralnuten­ felder, ist, kann also leicht beliebig eng - wesentlich enger, als es die Fertigungstoleranzen bei Axialspalten über Fluidfördergewinden zu­ lassen - ausgelegt werden. Nur die Restunebenheiten der den Dichtspalt einschließenden Gleitflansch- und Dichtringgehäusewandflächen begrenzen die mögliche Dichtspalthöhe nach unten. Um sowohl den Leistungsbedarf als auch die Abmessungen der berührungslosen Wellendichtringe in inter­ essanten Grenzen zu halten, werden Dichtspalthöhen zwischen einem und drei Hundertstelmillimetern angestrebt. Angesichts dieser Spalte dürfen auch die Spiralnuten nur wenige Zehntelmillimeter tief und breit sein und gleichen feinen Gravuren.

Im Vergleich zu den zu verbessernden Gewinde-Radial-Wellendichtringen umgeht das neue System erhebliche Gestaltungs-, Wärmedehnungs-, Tole­ ranz- und Werkstoffschwierigkeiten. Es ergeben sich für große und kleine Wellen, große Druckdifferenzen und hohe Umfangsgeschwindigkeiten kompak­ te verschleißsichere Wellendichtringe, die sich für neue Anwendungen und Bereiche empfehlen.

Im folgenden stellen die Fig. 1 bis 5 zwei Ausführungsbeispiele von Spiralnuten-Axial-Wellendichtringen und das Druckgleichgewicht an einem Gleitflansch dar. Im einzelnen zeigen die Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen eingebauten Spiralnuten-Axial-Wellen­ dichtring für Druckfluid, die Fig. 2 in Draufsicht und Querschnitt einen Ausschnitt aus den gegenläu­ figen Fluidförder-Spiralnutfeldern, die Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen eingebauten Spiralnuten-Axial-Wellen­ dichtring für Druckgas, die Fig. 4 die Druckverteilungen auf der Vorder- und der Rückseite des Gleit­ flansches bei dem Spiralnuten-Axial-Wellendichtring aus Fig. 3, und die Fig. 5 das Druckgleichgewicht am selben Gleitflansch, wenn der Hoch­ druck auf die Hälfte reduziert wird.

Im Anschluß an die vorausgegangene Beschreibung wird für die Fig. 1 bis 3 hauptsächlich nur noch die Bauteil- und Merkmalliste aufgeführt:
1 Vorderseite des Gleitflansches, 2 Welle, 3 Zwischennut zwischen den gegenläufigen Fluidförder-Spiralnutfeldern, 4 nach außen förderndes inneres Fluidförder-Spiralnutfeld, 5 nach innen förderndes äußeres Fluid­ förder-Spiralnutfeld, 6 Spiralnuten, 7 Spiraldämme, 8 tangentiale Stei­ gung der Spiralnuten im inneren Feld, 9 tangentiale Steigung der Spiral­ nuten im äußeren Feld, 10 Innenrand des inneren Spiralnutfeldes, 11 Innenrand des äußeren Spiralnutfeldes, 12 Außenrand des inneren Spiral­ nutfeldes, 13 Außenrand des äußeren Spiralnutfeldes, 14 Drehrichtung der Welle, 15 einstellbarer Dichtspalt, 16 eingeschraubte radiale Gegen­ wand, 16a vorgeflanschte radiale Gegenwand, 17 niederdruckseitig radial abgesetzter Teil der Welle, 18 radialer Wellenabsatz, 19 Gleitflansch, 20 Schiebesitz zwischen Gleitflansch und Welle, 21 und 21a äußere und innere Zone der Gleitflanschrückseite, 22 Gleitflanschführungsbuchse, 23 radialer Ringspalt, 24 dickerer Teil der Welle, 25 Elastomer-O-Dichtring, 26 Satz von Sacklöchern, 27 Satz von Sacklöchern, 28 Satz von komprimierten Spiralfedern, 29 Innenbohrung des Gleitflansches, 30 axialer Ringspalt, 31 Füllgrenze nach innen, wenn hochdruckseitig Fluid und niederdruckseitig Gas, 32 Einschraubge­ winde, 33 Innenbohrung der radialen Gegenwand, 34 Absatz in der Innen­ bohrung, 35 radiale Ringnut, 36 Elastomerdichtlippe, 37 radialer Ring­ spalt, 38 auf die Welle aufgeklebter Anschlagring, 39 Elastomer-O-Dicht­ ring, 40 Maschinengehäuse, 41 Aufnahmenut, 42 eingeklebte oder -gepreßte Dichtringgehäuserückwand, 43 Niederdruckwellenspalt, 44 Hochdruckwellen­ spalt, 45, 46, 47, 48 radiale axiale und diagonale Ringspalte, 49 Füllgrenze außen, wenn hochdruckseitig Gas und niederdruckseitig Fluid, 50 mitro­ tierende Elastomerdichtlippe, 51 Anlegfläche im Gehäuse, 52 radialer Ringspalt, 57 Sperrluftrohre.

Die Fig. 3 zeigt einen großen Spiralnuten-Axial-Wellendichtring aus Edelstahl, der in einer Großgasturbine den Übertritt des Kühlwassers in den Rotor hinein mit Wasser als Sperrfluid abdichtet. Zwischen dem Verdichter und der Turbine umgibt ein selbst von der Ringbrennkammer umschlossenes Übertragungsgehäuse den Rotor 2 mit dem Ringraum 53, in welchen das Kühlwasser durch die hohlen Verdichteraustritts- 54 und Turbineneintrittsleitschaufeln einströmt, und aus welchem es durch die Wandbohrungen 55 in den Rotor fließt. Die Leitschaufeln stecken innen in den Kopfringen 56 des Übertragungsgehäuses und außen in konischen in Nuten im geteilten doppelwandigen Turbinengehäuse aufgenommenen Trag­ ringen. Die Spiralnuten-Axial-Wellendichtringe werden mit den Leit­ schaufelkränzen auf den Rotor montiert, bevor dieser endgültig zusammen­ geschweißt wird. Bei Turbinenstillstand liegt die Elastomerdichtlippe 50 an der Gehäusewand 51 an und hält das Kühlwasser zurück. Bei Rotation richtet sie sich auf und läßt abgekühlte Verdichterendluft auf die Rückseite 21 des Gleitflansches 19a treten.

Im Diagramm Fig. 4 ist der über den Kühlwasserdruck hinausgehende auf die Gleitflanschvorder- und -rückseite wirkende Differenzdruck über dem Radius aufgetragen. Es wird davon ausgegangen, daß der Gleitflansch seine äußerst geringfügigen Verschiebungen viel schneller ausführt als das Wasser und so praktisch immer in der zum jeweiligen Strömungszustand gehörigen Stellung steht. Da die Druckverläufe nur wenig von der Linea­ rität abweichen, ist darauf verzichtet worden, sie parabolisch gekrümmt darzustellen.

Bei Wellenstillstand drückt das Kühlwasser auch auf den größten Teil der Gleitflanschrückseite, und die Spiralfedern, deren Spannung sich bei den minimalen Gleitflanschbewegungen praktisch nicht ändert, drücken den Dichtspalt auf die Spalthöhe Null. Sobald die Gasturbine läuft, gelangt der Verdichterenddruck auf die Rückseite des Gleitflansches und preßt ihn mit der dem Diagrammfeld 13-60-61-62-13 entsprechenden Kraft gegen die radiale Gegenwand. Hinzu kommt die Voranpressung durch die Spiralfedern, welche durch die Fläche 62-61-63-64-62 charakterisiert ist. Die mit Wasser gefüllten Fluidförder-Spiralnutfelder erzeugen bei der Dichtspalthöhe Null den Höchstdruck, der den Dichtspalt sofort gegen die Anpressung aufschiebt und zwar auf die Dichtspalthöhe, der ohne Wasserdurchfluß die Druckanstiege 60-68 über dem hochdruckseitigen und 10-72 über dem niederdruckseitigen Fluidförder-Spiralnutfeld entsprechen würden. Weil aber der fiktive Druck 68 hoch über dem Druck 72 läge, in der Zwischennut 3 jedoch nur ein Druck möglich ist, pumpt das hoch­ druckseitige Feld 5 den Wasserfluß 69 durch beide Felder hindurch zur Niederdruckseite hin. Dabei sinkt in dem fördernden Feld der Enddruck auf den Wert 70, und in dem erheblich breiteren inneren Spiralnutfeld 4 wächst der Druckanstieg wegen der Gegenförderung auf den Endwert 71, der tatsächlich gleich dem Wert 70 ist. Im Dichtspalt besteht nun das Druckgebirge 13-60-70-71-10-13, welches der Anpressung das Gleichgewicht hält.

Die Flußmenge 69 wird solange zur Niederdruckseite hinübergepumpt, wie sich Wasser auf der Gleitflanschrückseite befindet. Dann beginnt das System das gasseitige äußere Spiralnutfeld von außen her zu ent­ leeren. Dabei würde allerdings die Druckkraft auf die Gleitflanschvorder­ seite abnehmen, wenn nicht der entstehende Schubkraftüberschuß auf der Rückseite sofort den Dichtspalt enger fahren und durch steilere Druckan­ stiege über den Fluidförder-Spiralnutfeldern das Schubgleichgewicht wiederherstellen würde. Dabei vermindert sich die gepumpte Fluidmenge.

Ist z. B. die Entleerung vom Feldrand 13 bis zum Radius 79 fortgeschrit­ ten, so liegt im Dichtspalt der Druckverlauf 13-60-73-76-78-10-13 vor, und der Dichtspalt ist so eng geworden, daß die beiden Fluidförder-Spi­ ralnutfelder fluidflußlos die Druckanstiege 73-74 und 10-77 erzeugen würden, tatsächlich aber jetzt im Schubgleichgewicht die kleinere Fluß­ menge 75 zur Niederdruckseite hin befördern. Je mehr das gasseitige Fluidförder-Spiralnutfeld sich schmälert, umso enger wird der Dichtspalt, umso steiler werden die Druckanstiege, und umso kleiner wird die Fördermenge.

Schließlich wird die auslegungsmäßig festgelegte Füllgrenze 49 im äußeren Fluidförder-Spiralnutfeld erreicht, bei der die Druckanstiege 65-66 und 10-67 fluidflußlos gerade das Schubgleichgewicht mit dem Druckverlauf im Dichtspalt 13-60-65-66-67-10-13 erfüllen. Der Einstell­ vorgang endet, weil nicht mehr gepumpt wird, und sich nichts mehr ver­ ändert. Das Gleichgewicht ist stabil, denn, wäre der Dichtspalt zu eng, so hätte das niederdruckseitige innere Fluidförder-Spiralnutfeld ein Übergewicht über das äußere, würde in die andere Richtung pumpen und die aktive Breite des gasseitigen Spiralnutfeldes wieder vergrößern.

Wie die Fig. 5 zeigt, läuft dieser Vorgang ab, wenn die Turbinenleistung reduziert wird, und der gasseitge Hochdruck z. B. auf den halben Wert sinkt. Das Druckfeld 13-80-81-61-63-64-13 repräsentiert jetzt die An­ pressung. Da der Dichtspalt vom vorherigen Lastzustand noch eng ist, produziert er ein übergewichtiges Druckgebirge im Dichtspalt, welches den Gleitflansch auf eine größere Spalthöhe schiebt, wobei das Wasser, das dafür in den Spalt einfließen muß, die Geschwindigkeit des Vorganges begrenzt. Obwohl der Wasserdruck im Dichtspalt das Wasser nach außen treibt, kann die Sogwirkung der Spaltweitung doch überwiegen, und die Füllgrenze zunächst noch etwas nach innen, z. B. in die Position 82, verlagern. Dabei mag der Dichtspalt sich so geweitet haben, daß die beiden Fluidförder-Spiralnutfelder fluidflußlos die Druckanstiege 10-85 und 83-84 erzeugen würden. Zwangsläufig ergibt sich ein Wasserfluß 86 zur Gasseite hin beim Gleichgewichtsschub 13-80-83-88-87-10-13 auf der Gleitflanschvorderseite. Bei gleichzeitiger weiterer Dichtspaltauf­ weitung wird Wasser in abnehmender Flußmenge in das gasseitige Fluidför­ der-Spiralnutfeld gepumpt, bis der fluidflußlose Druckverlauf im Dicht­ spalt 13-80-90-91-92-10-13 die neue stabile Füllgrenze 89 ergibt. Änderungen der Betriebsparameter Wellendrehzahl und Fluidviskosität werden ebenfalls selbsttätig durch Anpassung der Dichtspalthöhe und Verschiebung der Füllgrenze im gasseitigen Fluidförder-Spiralnutfeld ausgeglichen. Für die Abdichtung von Hochdruckfluid gegen Niederdruck­ gas können analoge Betrachtungen angestellt werden.

Auch in dem Dichtfall, in dem sowohl auf der Hoch- als auch auf der Niederdruckseite Fluid ansteht, also keines der beiden gegenläufigen Fluidförder-Spiralnutfelder seine aktive Breite verändern kann, hat das System die Tendenz, den Dichtspalt auf die Höhe einzustellen, bei der die Nullförderung auftritt, denn, wenn bei zu engem Spalt Fluid zur Hochdruckseite hin gefördert wird, besteht gleichzeitig ein Schub­ übergewicht auf der Gleitflanschvorderseite, welches den Spalt zu weiten sucht. Nur geht diese Kraft leider gegen Null, wenn die Dichtspalthöhe des flußlosen Zustandes erreicht wird, da bei deren Überschreitung so­ wohl die Kraft als auch der Fluidfluß ihre Richtung umkehren. Das bedeu­ tet, daß die selbsttätige Regelung des Spiralnuten-Axial-Wellendicht­ ringes bei der Abdichtung von Fluid gegen Fluid zum Schluß schwach und langsam reagiert, und daß im Gegensatz zur Abdichtung zwischen Gas und Fluid eine Restundichtheit bestehen bleiben kann. Wahrscheinlich gibt es aber z. B. bei Pumpen, Wasserturbinen und Hydraulikmaschinen Dicht­ fälle, in denen das nicht stört.

Claims (8)

1. Spiralnuten-Axial-Wellendichtring, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• a) in eine radiale Absatz- und Flanschfläche (1) an der Welle (2) konzentrisch zur Wellenachse zwei kreisringförmige, durch eine Zwischennut (3) voneinander getrennte Fluidförder-Spiralnutfelder (4, 5) eingeschnitten oder -geprägt sind, in denen zahlreiche fla­ che schmale Nuten (6) zwischen schmalen Dämmen (7) spiralig mit flacher Steigung (8, 9) zur Tangente vom Innenrand (10, 11) zum Außenrand (12, 13) verlaufen, und zwar derart geneigt, daß die Spiralen des inneren Feldes (4), in Drehrichtung (14) der Welle gesehen, nach innen weisen, und die des äußeren Feldes (5) nach außen, und daß
• b) den Fluidförder-Spiralnutfeldern (4, 5) im Gehäuse hinter dem Dichtspalt (15) eine ebene glatte radiale Gegenwand (16, 16a) ge­ genübersteht.

2. Spiralnuten-Axial-Wellendichtring nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• a) die Welle (2) zur Niederdruckseite (17) hin radial nach innen abgesetzt (18) ist, und daß
• b) ein radial nach außen vorstehender, aber auch in den Wellenabsatz (17/18) hinein nach innen einspringender, auf seiner Vorderseite (1) die Fluidförder-Spiralnutfelder (4,5) tragender, separater Gleitflansch (19) in spielfreiem Schiebesitz (20) derart auf der Welle angebracht ist, daß er mit einer aus seiner Rückseite (21, 21a) auskragenden Führungsbuchse (22) neben einem radialen Ring­ spalt (23) auf dem dickeren Teil (24) der Welle sowie über einem in ein radiale Nut eingesetzten zusammengepreßten weichen Elasto­ mer-O-Dichtring (25) sitzt und von einem Satz von komprimierten in Sacklöchern (26, 27) in der radialen Absatzwand (18) an der Welle und im Gleitflansch steckenden Spiralfedern (28) gegen die radiale Gegenwand (16, 16a) im Gehäuse gedrückt wird.

3. Spiralnuten-Axial-Wellendichtring nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Gegenwand (16) in das Maschinengehäu­ se (40) mit einem Gewinde (32) an ihrem Außenumfang druckdicht, z. B. durch einen Elastomer-O-Dichtring (39) abgedichtet, eingeschraubt ist.

4. Spiralnuten-Axial-Wellendichtring nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Aufnahmenut (41) im Maschinengehäuse (40) eine Dichtringgehäuserückwand (42) druckdicht eingepreßt oder -geklebt ist, in welche die radiale Gegenwand (16) druckdicht (39) eingeschraubt (32) ist.

5. Spiralnuten-Axial-Wellendichtring nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Gegenwand mit einer Elastomer- Dicht- und Ausgleichschicht in eine konische radiale Ringnut in einem geteilten Maschinengehäuse eingesetzt ist.

6. Spiralnuten-Axial-Wellendichtring nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Ringnut außen in der Gleitflanschfüh­ rungsbuchse (22) eine schräg nach außen stehende Elastomerdichtlippe (50) eingesetzt ist, die sich bei Wellenstillstand an eine radiale Innenfläche (51) im Maschinengehäuse oder der Dichtringgehäuserück­ wand (42) anlegt.

7. Spiralnuten-Axial-Wellendichtring nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Innenbohrung (33) der radialen Ge­ genwand (16, 16a) ein Absatz (34) mit einer vertieften Radialnut (35) befindet, in welche eine nach innen vorragende Elastomerdichtlippe (36) eingesetzt ist, die mit radialem Ringspalt (37) vor einem dicht auf die Welle (2, 17) aufgebrachten Anschlagring (38) steht.

8. Spiralnuten-Axial-Wellendichtring nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitflansch (19) als Preßgußteil aus Metall oder Kunststoff mit eingepreßten Fluidförder-Spiralnutfeldern (4, 5, 3) hergestellt ist.