DE4221199A1 - Abdichtung an einem rotierenden koerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abdichtung an einem rotierenden Kör­ per und einem diesen einschließenden Gehäuse, mit einem in dem rotierenden Körper oder dem Gehäuse eingeschlossenen Dichtring, der mit seinem inneren oder äußeren Umfang an dem rotierenden Körper oder dem Gehäuse anliegt und dessen Seitenflächen zu den Seitenflächen des ihn einschließenden Raumes mindestens einen Dichtspalt bildende Abstände aufweisen, wobei der Dichtring in dem einschließenden Raum bewegbar ist.

Eine bekannte Abdichtung der genannten Art, deren Anordnung z. B. in Fig. 6 der DE-B-34 32 915 (US-A-47 14 417) am Außenläufer einer Drehkolbenmaschine schematisch dargestellt ist, hat den Nachteil, daß ihr Dichtring durch den Druck des abzudichtenden gasförmigen Mediums gegen eine Dichtgegenfläche gedrückt wird, so daß Reibungsverluste entstehen und ein hoher Verschleiß an den Dichtflächen auftritt. Dieser Nachteil wirkt sich besonders an sehr schnell drehenden Körpern mit Umfangsgeschwindigkeiten von mehr als 20 m/sec aus. Die Abdichtung sehr schnell drehender Körper erfolgt deshalb üblicherweise berührungsfrei durch Dicht­ spalte bzw. durch Labyrinthdichtungen. Die eine gute Abdichtung bewirkenden engen Dichtspalte erfordern jedoch einen hohen Fer­ tigungsaufwand und ihr Maß kann durch zu berücksichtigende Wär­ medehnungen und Fertigungstoleranzen, insbesondere bei großem Durchmesser am abzudichtenden Umfang, nicht klein genug gewählt werden, um eine ausreichende Spaltdichtung zu erhalten. Die be­ kannten Labyrinthdichtungen haben deshalb zahlreiche, in axialer Richtung nebeneinander angeordnete, in sie einschließende Räume hineinragende Dichtrippen.

Um Axialbewegungen der relativ zueinander rotierenden Teile be­ rücksichtigen zu können, sind für die Abdichtung der ölge­ schmierten Lager von Gasturbinen beweglich gehaltene Kohlen­ stoffringe bekannt. Um den schnellen Verschleiß eines solchen Dichtringes zu vermeiden, wurde durch die FR-A-26 02 847 vor­ geschlagen, den Druck am Dichtring auszugleichen und ihn beid­ seitig hydrodynamisch zu lagern, so daß er eine mittlere Po­ sition einnimmt. Da diese Konstruktion eine Zufuhr des abzu­ dichtenden Mediums zu den den Dichtring umschließenden Sei­ tenflächen erfordert, sind Verluste an abzudichtendem Medium unvermeidlich. Außerdem sind für die Erzeugung des hydrodyna­ mischen Druckes an beiden Seiten des Dichtringes aufwendig herzustellende, beispielsweise spiralförmige Oberflächenpro­ filierungen erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abdichtung für rotierende Körper zu finden, die mit geringerem Herstellungs­ aufwand realisierbar ist als bekannte Abdichtungen, die keinem wesentlichen Verschleiß ausgesetzt ist, die besonders für große Durchmesser geeignet ist und die dabei auf engem Raum eine gute Wirkung hat, so daß der Wirkungsgrad der die Ab­ dichtung aufweisenden Maschine erhöht wird. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Dichtring zusätzlich zu mindestens einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden, seitlichen Dichtspaltfläche min­ destens eine seitliche Führungsfläche aufweist, indem die Dichtspaltfläche gegenüber der in axialer Richtung gegenüber­ liegenden Seitenfläche des einschließenden Raumes ein etwas größeres Spiel in axialer Richtung aufweist als die Führungs­ fläche, so daß ein Kontakt der Dichtspaltfläche mit der in axialer Richtung gegenüberliegenden Fläche des den Dichtring einschließenden Raumes ausgeschlossen ist.

Somit kann der den Dichtring einschließende Raum sehr eng be­ messen werden, und ein sich aufgrund der Fertigungstoleranzen und/oder Wärmedehnungen ergebender Kontakt mit Anlauf- und Füh­ rungsflächen des Dichtringes kann durch das Ausweichen des Dichtringes nur kurzzeitig auftreten, ohne daß die Gefahr eines Festfressens an dem Dichtring oder eines fortdauernden Ver­ schleißes gegeben ist. Der Dichtring bildet entsprechend ein Labyrinthelement in idealer Dichtposition. Aufgrund der Er­ findung wird ein Kontakt der Dichtspaltflächen mit den um­ schließenden Flächen des Nutraumes vollständig verhindert, so daß eine gleichbleibende Qualität der Abdichtung gewährleistet ist.

Ein weiter Vorteil der Erfindung ergibt sich dadurch, daß sich an den Anlauf- und Führungsflächen Schmiermittel ansammeln kann, da dieses nicht durch entweichendes, abzudichtendes gasförmiges Medium weggeblasen wird.

Da der Verschleiß an den Anlauf- bzw. Führungsflächen durch die Vermeidung axial wirkender Kräfte und verbleibendes Schmiermit­ tel minimal ist, können auch konstant besonders enge Dichtspalte an den Dichtspaltflächen von z. B. nur 0,01 mm aufrechterhalten werden, so daß die Qualität der Abdichtung mit einer solchen mit ständigem Schleifkontakt vergleichbar ist, ohne den Nachteil eines Verschleißes in Kauf nehmen zu müssen.

Es versteht sich, daß ähnlich einer üblichen Labyrinthdichtung auch mehrere Dichtringe in axialer Richtung aufeinander folgen können, denen jeweils ein umschließender Raum zugeordnet ist.

Der Dichtring kann nach Art eines herkömmlichen Kolbenringes aus Gußeisen, Stahl oder anderen metallischen oder nichtmetalli­ schen Werkstoffen, wie z. B. auch aus Keramik oder Sintermate­ rial, ohne oder und mit einem Überlappungsstoß oder auch ohne Stoß hergestellt werden.

Der Dichtring kann auch mit einer die Verschiebung ermöglichen­ den Preßpassung den rotierenden Körper umschließen, falls er beispielsweise durch ein geteiltes Gehäuse des umschließenden Raumes so montierbar ist. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Abdichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen defi­ niert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich und teilweise nicht proportional, son­ dern nur schematisch. Die Querschnittsdarstellungen der Dicht­ ringe sind ohne vollständige seitliche Begrenzungslinien des Dichtringes und vergrößert abgebildet. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine innenachsige Drehkolben­ maschine an sich bekannter Art,

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung einer Abdich­ tung der Drehkolbenmaschine nach Fig. 1, mit am Gehäuse haftendem Dichtring von nicht erfindungsgemäßer Ausfüh­ rung,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Umfangsbereiches der Abdichtung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung einer erfin­ dungsgemäßen Abdichtung mit am Gehäuse gehaltenem Dichtring,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Umfangsbereiches der Abdichtung nach Fig. 4,

Fig. 6 eine Querschnittsdarstellungen einer erfindungsgemäßen Abdichtung, mit am rotierenden Körper haftendem Dicht­ ring,

Fig. 7 eine Seitenansicht eines Umfangsbereiches der Abdichtung nach Fig. 6,

Fig. 8 bis Fig. 10; Fig. 11 bis 13; Fig. 14 bis 16 drei weitere Aus­ führungsformen erfindungsgemäßer Abdichtungen, mit je einer Querschnittsdarstellung, einer Seitenansicht eines Umfangsbereiches und einem unvollständigen Längsschnitt,

Fig. 17 einen Querschnitt einer Abdichtung mit einem Ausneh­ mungen aufweisenden Nutraum und Ausgleichsbohrungen,

Fig. 18 eine Seitenansicht eines Umfangsbereiches der Abdich­ tung nach Fig. 18,

Fig. 19 bis Fig. 22 zwei Ausführungsformen von Abdichtungen mit durch inneren Eingriff geführtem, im Querschnitt U-för­ migen Dichtring, im Querschnitt und mit einer Seitenan­ sicht eines Umfangsbereich der Abdichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte innenachsige Drehkolbenmaschine ist ausführlich in der eingangs genannten DE-B-34 32 915 (US-A­ 47 14 417 oder US-A-48 01 255) beschrieben, die als Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gelten soll. Durch die Lagerung ihres Innenläufers 1 und Außenläufers 2 um feststehende geome­ trische Achsen ist sie für sehr hohe Drehgeschwindigkeiten ge­ eignet, so daß am großen Außenläufer 2 Umfangsgeschwindigkei­ ten von z. B. 20 bis 50 m/sec auftreten. Die Erfindung verwirk­ licht eine berührungsfreie Abdichtung z. B. am äußeren Umfang der Seitenteile 3 und 4 des Außenläufers. Die hierfür vorgese­ henen, aufgrund der Erfindung zu verbessernden Abdichtungen 5, 6 z. B. nach Fig. 2, 3 haben einen in einem Nutraum 7 dieser Seiten­ teile 3, 4 des Außenläufers 2 eingeschlossenen Dichtring 8, der mit seiner äußeren Umfangsfläche 9 an der kreiszylindrischen Innenfläche 10 des Maschinengehäuses 11 mit Reibschluß fest an­ liegt.

Die seitlichen, radialgerichteten, ringförmigen Flächen 13, 14 des den Dichtring umschließenden Raumes 7 oder andere gleich angeordnete, einen entsprechenden einschließenden Raum 7 für einen Dichtring 8 bildende Ringflächen, haben einen Abstand voneinander, der gerade ausreicht, um bei ideal zentrierter Po­ sition des Dichtringes 8 oder nach Einlaufabtragung von Mate­ rialüberständen und Ausrichtung von Taumelbewegungen zwischen ihnen eine berührungslose relative Drehbewegung zu ermöglichen. Durch eine genaue Montage des Dichtringes 8 ließe sich diese Position des Dichtringes 8 nicht erzielen, sondern sie wird durch beidseitigen Anlauf an die einschließenden Nutflächen 13, 14 bei Beginn der relativen Drehbewegung selbsttätig erzielt, indem der Reibschluß oder die Preßpassung zwischen den Flächen 9, 10 am Umfang des Dichtringes kurzzeitig durch die entsprechen­ den mechanischen Kräfte überwunden wird.

Um den an dem Dichtring 8 wirkenden Differenzdruck des Gases zu begrenzen, müssen die die Dichtspalte 15, 16 begrenzenden Ring­ flächen 17, 18 vorzugsweise auf einen schmalen Bereich begrenzt sein, und an dem übrigen Teil der Dichtringseiten befinden sich zum Druckausgleich zwischen beiden Dichtringseiten Freiräume 20, 21. Diese Erfordernisse lassen jedoch durch die erfindungswe­ sentliche Aufteilung der Seitenflächen des Dichtringes in einen Bereich mit mindestens einer Anlauf- und Führungsfläche und einen mindestens eine Dichtspaltfläche aufweisenden Bereich vermeiden.

Beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, 5 hat der Dichtring 8 beidseitig zusätzlich zu Dichtspaltflächen 18, 19, die zusammen mit den Nutflächen 13, 14 die Dichtspalt- bzw. Gas­ zufuhrquerschnitte bestimmen, Anlauf- und Führungsflächen 23, 24, an denen ein Anlaufen bei Axialverschiebung des Gehäuses 3 und damit des Nutraumes 7 relativ zu dem Dichtring 8 erfolgt und die auch als Führungsflächen zur Ausrichtung des Dichtringes 8 die­ nen. Im folgenden werden zur Vereinfachung entsprechende Flächen nur als Führungsflächen bezeichnet.

Da die Dichtspaltflächen 18, 19 des Dichtringes 8 geringfügig um z. B. 0,01 mm gegenüber den Führungsflächen 23, 24 zurückversetzt sind, kann an ihnen auch aufgrund von Axialverschiebungen an der Abdichtung kein Kontakt mit einer Fläche des Nutraumes 7 erfol­ gen, so daß deren Beschädigung unmöglich ist.

Wenn das Spiel der Führungsflächen 23, 24 relativ zu den gegen­ überliegenden Flächen 13, 14 des Nutraumes 7 jeweils z. B. 0,01 mm beträgt, so haben aufgrund der Rückversetzung der Dichtspaltflä­ chen um 0,01 mm diese ein Spiel von 0,02 mm gegenüber den Nut­ flächen 13, 14.

Es versteht sich, daß in den Zeichnungen nur eine beschränkte Anzahl von möglichen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Abdichtung dargestellt werden konnten und daß die Formgebung des Dichtringes 8 und des zugehörigen umschließenden Raumes 7 zahlreiche Varianten zuläßt.

Für einen im wesentlichen unbehinderten Druckausgleich zwischen beiden Seiten des Dichtringes 8 sind zwischen ihm und den Flä­ chen des Nutraumes 7 für die Abdichtung unwirksame Freiräume 22 und 25, 26 vorgesehen, wobei die beidseitigen Freiräume 25 und 26 durch Kanäle 27 miteinander verbunden sind, die in Umfangsrich­ tung verteilt angeordnet sind.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6, 7 haftet der Dichtring 8 an einem rotierenden Teil 3 und der den Nutraum 7 aufweisende Teil 11 der Anordnung ist entweder ein stehendes Gehäuse oder ein mit anderer Drehgeschwindigkeit rotierender Teil. Dieser Teil 11 ist aus konstruktiven Gründen bzw. für eine erleichterte Montage ge­ teilt ausgeführt. Der Druckausgleich zwischen beiden Seiten des Dichtringes 8 erfolgt hier durch sich über den Außenumfang des Dichtringes 8 quer erstreckende U-förmig verlaufende Kanäle 28, 29, 30, so daß sie die beidseitig vorgesehenen Freiräume 25, 26 an mehreren Umfangsstellen miteinander verbinden. Die dadurch gebildeten seitlichen Unterbrechungen fördern eine Zufuhr von Schmiermittel zu den Führungsflächen 23, 24 sowie deren Ablösung vom direkten Anlaufkontakt mit den Flächen 13, 14 des Nutraumes.

Die radiale Breite der Dichtspaltflächen 17, 18 kann aufgrund des Druckausgleiches und der Führung durch die Führungsflächen für eine besonders gute Abdichtung größer gewählt werden, als im Beispiel der Fig. 6, 7 dargestellt ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 bis 10 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 6, 7 dadurch, daß die durch Nuten voneinan­ der getrennten zahlreichen Führungsflächen 23′, 24′ in Umfangs­ richtung keilförmig sind, so daß der Verschleiß an ihnen durch verbesserte Schmierung weiter verringert werden kann.

Die Fig. 11 bis 13 zeigen eine vereinfachte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Seitenflächen 32, 33 entlang ihres gesam­ ten Umfanges zahlreiche radial gerichtete Riefen 34 aufweisen, so daß die somit gebildeten Rippen 35 zwischen den Riefen 34 als Führungsflächen dienen, während die Dichtspaltflächen und Ausgleichsräume sich in den Riefen 34 befinden. Die, Herstellung der Riefen 34 kann beispielsweise mittels einer Topfschleif­ scheibe 36 oder mittels eines Prägewerkzeuges erfolgen.

Die Fig. 14 bis 16 zeigen eine weitere vereinfachte Ausführungs­ form der Erfindung, indem die Führungsflächen, Freiräume und Dichtspaltflächen durch in Umfangsrichtung verlaufende wellen­ artige Ausbiegungen 37 bis 39 gebildet werden, die in Fig. 16 übertrieben stark dargestellt sind. Dabei sind die Führungs­ flächen theoretisch radial linienförmig oder sogar punktförmig, falls der Dichtring 8 einen trapezförmigen Querschnitt hat.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 17, 18 zeigt, daß die Dicht­ spaltflächen 17, 18′ des Dichtringes 8 in derselben Ebene liegen können wie die Führungsflächen, indem das etwas größere axiale Spiel gegenüber den Seitenflächen des Nutraumes durch absatzbil­ dende Ausdrehungen 40, 41 des Nutraumes 7′ gebildet werden. Diese Ausführungsform vereinfacht das Schleifen der Seitenflächen des Dichtringes.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 17, 18 zeigt weiterhin, daß für den Druckausgleich zwischen beiden Seiten des Dichtringes 8 auch in dem den Nutraum 7 aufweisenden Teil Kanäle vorgesehen sein können. Gemäß der Darstellung wirken zum Druckausgleich Boh­ rungen 42 mit einem einseitig am Dichtring 8 vorgesehenen Frei­ raum 43 zusammen.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 19 bis 22 sind die Füh­ rungsflächen 46, 46′ des Dichtringes 44 bzw. 49 innenseitig in einer Führungsnut vorgesehen, und sie wirken mit Seltenflächen 47, 48 eines in die Führungsnut eingreifenden, Führungsteiles zu­ sammen, der in dem Nutraum 7 fixiert ist und entweder ein fest montierter Führungsring 45 oder eine aus der Welle 2 innerhalb des Nutraumes herausgeformte nabenartige Führungsrippe 50 ist. Für einen Druckausgleich zwischen beiden Seiten des Dichtringes hat der in den Dichtring eingreifende Führungsteil entweder ein­ zelne Ausschnitte 54 oder Querbohrungen 51, 52, die in verschie­ denen Richtungen quer gebohrt sind.

Da beim letztgenannten Ausführungsbeispiel der Dichtring 44 bzw. 49 somit einen zur Drehachse hin offenen U-förmigen Querschnitt hat, ergibt sich der besondere Vorteil, daß sich unter dem Ein­ fluß von Zentrifugalkräften Schmiermittel in dem Dichtring 44 bzw. 49 ansammeln kann, das nicht verloren geht, so daß eine dauerhafte Schmierung gewährleistet ist.

Es versteht sich, daß der im vorangehenden als Gehäuse 11 be­ zeichnete Körper nicht stationär sein muß, sondern relativ zu dem als rotierend bezeichneten Körper ebenfalls rotieren kann.

Zusammenfaßend kann festgestellt werden, daß aufgrund der Er­ findung ein Dichtring mit seinen Dichtflächen auch bei belie­ biger axialgerichteter Kraft gegenüber der Dichtgegenfläche in dichtendem Abstand gehalten wird, indem er durch axial druckent­ lastete Führungsflächen geführt wird. Der minimale Abstand der Spaltdichtflächen von der Dichtgegenfläche ist somit durch me­ chanische Mittel erreicht.

Claims (11)

1. Abdichtung an einem rotierenden Körper und einem diesen einschließenden Gehäuse, mit einem in dem rotierenden Körper (2) oder dem Gehäuse (11) eingeschlossenen Dichtring (8), der mit seinem inneren oder äußeren Umfang an dem rotierenden Kör­ per oder dem Gehäuse anliegt und dessen Seitenflächen zu den Seitenflächen des ihn einschließenden Raumes (7) Dichtspalte bildende Abstände aufweisen, wobei der Dichtring in dem ein­ schließenden Raum (7) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (8) zusätzlich zu mindestens einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden, seitlichen Dichtspaltfläche (18, 19) mindestens eine seitliche Führungsfläche (23, 24) aufweist, indem die Dichtspaltfläche (18, 19) gegenüber der in axialer Richtung gegenüberliegenden Seitenfläche (13, 14) des einschlie­ ßenden Raumes (7) ein etwas größeres Spiel in axialer Richtung aufweist als die Führungsfläche (23, 24), so daß ein Kontakt der Dichtspaltfläche (18, 19) mit der in axialer Richtung gegen­ überliegenden Fläche (13,14) des den Dichtring (8) einschlie­ ßenden Raumes (7) ausgeschlossen ist.

2. Abdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Führungsfläche (23, 24) durch mindestens einen sich von einer Seite zur axial gegenüberliegenden Seite des Dichtringes erstreckenden Kanal (27) oder Ausnehmung (28-30, 34) vom Druck des abzudichtenden Mediums entlastet ist.

3. Abdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in axialer Richtung des Dichtringes (8) einander gegen­ überliegenden Ringseiten zum Druckausgleich durch sich achspa­ rallel quer durch den Dichtring (8) erstreckende Bohrungen (27) miteinander verbunden sind.

4. Abdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch über den Umfang sich erstreckende, beide Seiten des Dicht­ ringes (8) miteinander verbindende Ausnehmungen (28-30).

5. Abdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Gleitfilmbildung an den Anlaufflächen (38) keilförmige Erhebungen (24′) vorgesehen sind.

6. Abdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (32, 33) des Dichtringes radial gerichtete, durchlaufende Riefen (34) aufweisen.

7. Abdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (8) zur Bildung einzelner Führungsflächen in Umfangs­ richtung aufeinanderfolgende Ausbiegungen (37-39) aufweist.

8. Abdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dichtring (44) ein Führungsring (45) zugeordnet ist, wobei an dem Dichtring (44) innen vorgesehene Führungsflächen (45, 46) Führungsflächen (47, 48) des Führungsringes (45) mit Führungs­ spiel gegenüberliegend angeordnet sind.

9. Abdichtung nach der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Nutraum mindestens eine Führungsrippe (50) hineinragt, so daß sie zwischen innen an dem Dichtring (49) vorgesehene Führungsflächen (45′, 46′) eingreift.

10. Abdichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (44, 49) einen zur Drehachse hin offenen u­ förmigen Querschnitt aufweist.

11. Abdichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem in den Dichtring (44, 49) eingreifenden Teil (45, 50) quer gerichtete Kanäle (51, 52) oder Ausschnitte (54) vorgesehen sind.