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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Wellendichtung für
rotierende Wellen in Turbomaschinen (Strömungsmaschinen) oder anderen
druckbeaufschlagten Maschinen. Insbesondere stellt die vorliegende
Erfindung zusammen mit einer bekannten Form einer Wellendichtung
eine Wellendichtung bereit, umfassend ein Dichtelement, ein Drehdichtteil, das
koaxial mit dem Dichtelement montiert ist und mit diesem eine berührungslose
Primärdichtung
zwischen gegenüberliegenden
Flächen
des Dichtelements und des Drehdichtteils bildet, um einen Fluidstrom
entlang der Primärdichtung
von einer Hochdruck-Radialseite
zu einer Niederdruck-Radialseite im wesentlichen zu verhindern,
ein Dichtungsgehäuse,
eine ringförmige
Schieberscheibe, die um einen sich nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitt
des Dichtungsgehäuses
und koaxial zu dem Dichtelement vorgesehen ist, eine Vorspaneinrichtung,
die auf die Schieberscheibe wirkt, um das Dichtelement axial zu
dem Drehdichtteil zu zwängen,
und ein erstes Dichtelement, das zwischen der Schieberscheibe und
dem sich nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitt in Kommunikation
mit der Hochdruck-Radialseite vorgesehen ist, um eine sekundäre Dichtung zwischen
der Hochdruck- und der Niederdruck-Radialseite bereitzustellen.
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Kontaktfreie Wellendichtungen werden
oftmals bei Maschinen zu Kompression oder Expansion von Gas (Wasserstoff,
Erdgas, Luft, etc.) verwendet, wenn die Übertragung von Gas entlang
der Welle verhindert werden muss. Infolge der Hochdruck- und Hochgeschwindigkeits-Maschinen,
die normalerweise verwendet werden, werden die Wellendichtungen vom
kontaktfreien Typ ausgewählt,
um in den Dichtungen aufgebaute Wärme und Verschleiß der Dichtteile
zu vermindern und/oder um die Komplexität von Öldichtungen und ihren zugehörigen Systemen
zu vermeiden.
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Ein kontaktfreier Betrieb vermeidet
den unerwünschten
Flächenkontakt,
wenn die Welle oberhalb einer bestimmten Minimalgeschwindigkeit
rotiert, die oftmals als Abhebegeschwindigkeit (lift-off speed) bezeichnet
wird.
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Kontaktfreie Wellendichtungen stellen
Vorteile gegenüber
Dichtungen, bei denen die Dichtflächen einander berühren, infolge
einer Verminderung des Verschleißes und der geringeren Wärmeerzeugung
bereit. Artikel mit den Titeln "Fundamentals
of Spiral Groove Non-contacting Face Seals" von Gabriel, Ralph P. (Journal of American
Society of Lubrication Engineers, Jahrgang 35, Nr. 7, Seiten 367–375) und "Improved Performance
of Film-Riding Gas Seals Through Enhancement of Hydrodynamic Effects" von Sedy, Joseph
(Transaction of the American Society of Lubrication Engineers, Jahrgang
23, Nr. 1, Seiten 35–44)
beschreiben eine kontaktfreie Dichtungstechnologie und Designkriterien
und werden in diese Schrift durch Bezugnahme eingeschlossen.
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Wie bei herkömmlichen mechanischen Dichtungen
besteht eine kontaktfreie Flächendichtung aus
zwei Hauptdichtelementen. Zumindest eines der Dichtelemente ist
mit flachen Oberflächenvertiefungen
ausgestattet.
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Diese Vertiefungen sind senkrecht
zu der Rotationsachse verjüngt
und konzentrisch hierzu, wobei die Verjüngung in der Richtung entgegengesetzt
zu der Rotationsrichtung der Welle ist. Bei bekannten kontaktfreien
Flächendichtungen
sind beide Dichtelemente in der Form von Ringen benachbart zueinander
positioniert, wobei die Dichtflächen
unter Bedingungen eines Druckdifferentials von Null und einer Rotationsgeschwindigkeit
von Null in Kontakt sind. Einer der Ringe ist normalerweise an der
drehbaren Welle mittels einer Wellenhülse befestigt, wobei die andere
innerhalb der Dichtungsgehäusestruktur
gelegen ist und sich axial bewegen kann. Die Wellendichtung ist
dazu ausgelegt, eine axiale Bewegung des Dichtrings zu ermöglichen
und dennoch eine Leckage des abgedichteten Fluids zu verhindern
oder im wesentlichen zu minimieren. Aus diesem Grund ist ein Dichtelement
zwischen dem Ring und dem Gehäuse
platziert.
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Um, wie oben erwähnt, den kontaktfreien Betrieb
der Dichtung zu erzielen, ist eine der zwei Dichtflächen mit
flachen Flächenvertiefungen
ausgestattet, die derart wirken, um Druckfelder zu erzeugen, welche
die zwei Dichtflächen
voneinander wegzwängen.
Wenn die Größenordnung
der aus diesen Druckfeldern resultierenden Kräfte groß genug ist, um die Kräfte zu überwinden,
welche die Dichtflächen
aufeinander zuzwängen,
werden sich die Dichtflächen
trennen und einen Spalt bilden, der zu einem kontaktfreien Betrieb
führt.
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Wie ausführlich in den oben angegebenen Artikeln
erläutert,
ist das Wesen der Trennkräfte
derart, dass ihre Größenordnung
bei einer Zunahme der Flächentrennung
abnimmt. Entgegengesetzte oder Schließkräfte hängen andererseits vom abgedichteten
Druckniveau ab und sind als solche von der Flächentrennung unabhängig. Sie
resultieren aus dem abgedichteten Druck und der auf die hintere
Fläche des
axial bewegbaren Dichtrings wirkenden Federkraft. Da die Trennungs- oder Öffnungskraft
von dem Trennungsabstand zwischen den Dichtflächen abhängt, wird sich während des
Betriebes der Dichtung oder bei Aufbringung ausreichenden Drucks
eine Differentialgleichgewichtstrennung zwischen beiden Flächen selbst
einstellen. Dies tritt auf, wenn Schließ- und Öffnungskräfte im Gleichgewicht und gleich
zueinander sind.
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Die Gleichgewichtstrennung verändert sich konstant
innerhalb des Spaltbereichs. Das Ziel besteht darin, die untere
Grenze dieses Bereichs oberhalb von Null zu halten. Ein weiteres
Ziel besteht darin, diesen Bereich so schmal wie möglich zu
machen, da die Trennung zwischen den Flächen an dessen oberem Rand
zu einer erhöhten
Dichtungsleckage führen
wird. Da die kontaktfreien Dichtungen definitionsgemäß mit einem
Spalt zwischen den Dichtflächen
arbeiten, wird ihre Leckage höher
sein als diejenige einer Kontaktdichtung ähnlicher Geometrie.
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Allerdings bedeutet die Abwesenheit
von Kontakt einen Verschleiß von
Null an den Dichtflächen
und daher einen relativ geringen Betrag zwischen diesen erzeugter
Wärme.
Es ist diese geringe erzeugte Wärme
und die Abwesenheit von Verschleiß, welche die Anwendung von
kontaktfreien Dichtungen auf Hochgeschwindigkeits-Turbomaschinen
und andere Druckmaschinen ermöglichen,
bei denen das abgedichtet Fluid ein Gas ist. Turboverdichter werden
zum Verdichten dieses Fluids verwendet, und da Gas eine relativ
geringe Masse besitzt, arbeiten sie normalerweise bei sehr hohen
Geschwindigkeiten und mit einer Anzahl von Verdichtungsstufen in
Reihe.
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Wie in den angegebenen Artikeln erläutert, hängt die
Wirksamkeit der Dichtung stark von dem sogenannten Ausgleichsdurchmesser
(balance diameter) der Dichtung ab. Dies trifft ebenso für Kontaktdichtungen
zu.
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Wenn Druck von dem äußeren Durchmesser der
Dichtung aufgebracht wird, führt
eine Verminderung des Ausgleichsdurchmessers zu einer größeren Kraft,
welche die zwei Dichtflächen
zusammenschiebt, und so zu einem schmaleren Spalt zwischen den Flächen. Somit
tritt weniger Leckgas von dem System aus.
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Bekannte Verdichter wurden zum Verdichten von
Gas bei Einlassdrücken
von etwa 200 Bar verwendet, um Drücke von etwa 500 Bar zu liefern.
Kontaktfreie Wellendichtungen der oben beschriebenen Art werden
typischerweise zum Abdichten gegenüber dem Verdichtereinlassdruck
verwendet. Der Trend bei Verdichteranforderungen geht heutzutage zu
höheren
Einlass- und Lieferdrücken. Allerdings lassen
derartige Druckniveaus ein Problem mit den oben beschriebenen, kontaktlosen Wellendichtungen entstehen,
wie nun unter Bezugnahme auf 1 und 1a erläutert wird.
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1 ist
eine teilweise Längsschnittansicht durch
die Wellendichtung, welche die relevanten strukturellen Elemente
einer bekannten kontaktlosen Wellendichtung der oben beschriebenen
Art zeigt. Die Wellendichtung ist in eine Turbomaschine (nicht gezeigt),
wie einen Verdichter, in diesem Beispiel eingebaut. Gezeigt ist
eine Wellendichtung 1 mit einem (nicht rotierenden) Dichtelement
oder ring 2, der koaxial zu der Wellenachse (mit Bezugszeichen 3 bezeichnet)
montiert ist, und ein Drehdichtteil oder Ring 4, der koaxial
zu dem Dichtring 2 und daher ebenso zu der Wellenachse 3 gelegen
ist. Es wird ersichtlich sein, dass die vertikale Schnittansicht
aus 1 zur Vereinfachung
nur den Abschnitt der Wellendichtung zeigt, der oberhalb der Wellenachse
gelegen ist. Der Dichtring 4 ist an einer inneren Hülse 5 montiert,
die einen radialen Flansch 5a besitzt, an welchem der Dichtring 4 anliegt,
wobei die Hülse 5 an
der Welle 6 derart montiert ist, dass die Welle 6,
die innere Hülse 5 und
der Drehdichtring 4 zusammen als einzelnes Drehelement
rotieren. Zusätzlich
ist eine Lagehülse 7 an
der inneren Hülse 5 angeschraubt.
Die Anordnung mit den Bauteilen 4, 5 und 7 wird
an einer Verschiebung in einer Axialrichtung durch eine Lagering 21 und
in der entgegengesetzten Axialrichtung durch den innerhalb des Verdichters
wirkenden Hochdruck gehindert.
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Die Wellendichtung besitzt ebenso
ein Dichtungsgehäuse 8 und
eine ringförmiger
Schieberscheibe 9, die zwischen einem radial inneren Flanschabschnitt 8b des
Dichtungsgehäuses 8 und
dem Dichtring 2 vorgesehen ist und lose um einen sich nach
vorne erstreckenden Hülsenabschnitt 8a des Dichtungsgehäuses 8 aufgesetzt
ist. Eine Mehrzahl von Vorspannfedern (von denen eine, Bezugszeichen 10,
in 1 gezeigt ist), die
in derselben Axialposition in jeweiligen Blindlöchern 11 in dem radial
inneren Flansch 8b gelegen und um die Wellenachse verteilt
sind, wirken auf die Schieberscheibe 9, um diese gegen
den Dichtring 2 zu zwängen.
Der (nicht drehbare) Dichtring 2 und der Drehdichtring 4 bilden zusammen
eine kontaktlose Primärdichtung,
wenn die Turbomaschine (oder druckbeaufschlagte Maschine) in Betrieb
ist, was einen Fluidstrom zwischen den Dichtflächen der Primärdichtung
von der radial äußeren Hochdruckseite
zu der radial inneren Niederdruckseite im wesentlichen verhindern.
Die Dichtfläche
des Dichtringes 2 besitzt flache Nuten, die in dessen Frontfläche geschnitten
sind, um die erforderliche Trennung zwischen den Dichtflächen der Dichtringe 2, 4 zu
erzeugen. Alternativ könnten
die Nuten in dem Drehdichtring 4 gebildet sein.
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Bevorzugte Designs für die Nuten
sind ausführlicher
in der internationalen Offenlegungsschrift WO-A-96/15397 der Dresser-Rand
Company angegeben, und die bevorzugten Designs für die Nuten werden hier durch
Bezugnahme eingeschlossen. Das Dichtelement 2 ist normalerweise
aus Kohlenstoff oder einem anderen geeigneten Material hergestellt.
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Wie in 1 gezeigt,
ist dem Dichtelement 2 eine begrenzte Axialbewegung gegen
die Vorspannkraft der Federn 10 ermöglicht. Diese Federn stellen eine
relativ geringe Nettovorspannkraft bereit, so dass wenn die Welle
bei normaler Geschwindigkeit rotiert, die erzeugten Trennkräfte den
Dichtring 4 veranlassen, sich von dem Dichtring 2 zu
trennen. Der Spalt zwischen diesen Ringen stellt sich selbst derart ein,
dass die erzeugten Öffnungskräfte einerseits
und die Summe der erzeugten Schließkräfte und der Federvorspannkraft
andererseits gleich zu einander sind. Wenn allerdings die Welle 2 im
Ruhezustand ist, wirken die Federn derart, um den Dichtring 2 in
Kontakt mit dem Drehdichtring 4 zu bewegen.
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Ein Hochdruckgas wird zu dem radial äußeren Rand
der Dichtringe 2, 4 zugeführt. Normalerweise würde dieses
Gas von dem Arbeitsfluid der Maschinen abgeleitet sein. Allerdings
könnte
es stattdessen ein sauberes Gas sein, das zum Ausblasen in die Atmosphäre geeignet
ist. In diesem Falle kann das ausgeblasene Gas ein brennbares Gas
sein, das abgefackelt wird.
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Der Hochdruck auf der Hochdruck-Radialseite
wirkt um die hintere Dichtfläche
des Dichtelements 2 bis zu einem sogenannten Gleichgewichtsausgleichsdurchmesser.
In einer abgestuften Vertiefung 14, die in der vorderen
Fläche
der Schieberscheibe 9 benachbart zu deren inneren Umfang
gebildet ist, ist eine Sekundärdichtung 12 gelegen,
die sowohl gegen den Dichtring 2 als auch gegen den sich
nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitt 8a des
Gehäuses 8 abdichtet.
Diese Sekundärdichtung
dient zum Verhindern, dass der Hochdruck um die hintere Fläche des
Dichtelements 2 oder hinter die Schieberscheibe 9 zu
der Niederdruck-Radialseite (Atmosphärendruck) ausbläst. Der
Ausgleichsdurchmesser wird im wesentlichen durch die Kontaktlinie
der Sekundärdichtung 12 mit
dem sich nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitt 8a des
Gehäuses 8 bestimmt.
Die Sekundärdichtung 12 kann
jegliche geeignete Form besitzen, wie ein herkömmlicher O-Ring, wie gezeigt, oder eine federbeaufschlagte U-Dichtungen.
Andere Formen von Dichtungen sind möglich, und die genaue, ausgewählte Form
ist nicht wesentlich.
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Bei Verwendung der Wellendichtung 1 wird das
Hochdruck-Arbeitsfluid
des Verdichters zu der Hochdruck-Radialseite der Primärdichtung
gelassen. Dieser Druck wirkt auf die vordere Fläche der Schieberscheibe 9 herunter
zu der kreisförmigen
Abdichtungslinie der Sekundärdichtung 12 gegenüber dem Dichtring 2.
Das Hochdruckfluid wirkt ebenso auf die hintere Fläche der
Schieberscheibe 9 herunter zu dem Ausgleichsdurchmesser.
Die Sekundärdichtung 12 dichtet
den aufgebrachten Hochdruck von der Niederdruck-Radialseite ab,
die sich bei atmosphärischem
Druck befindet, wenn eine einzelne Wellendichtung verwendet wird,
oder falls mehrere Wellendichtungen kaskadiert verwendet werden,
sich bei einem niedrigeren Druck als der abzudichtende Druck befindet.
Aufgrund des auf die hintere Fläche
der Schieberscheibe 9 herunter zu dem Ausgleichsdurchmesser
wirkenden Druckdifferential gibt es eine Nettoschließkraft (nach
links in 1), welche
stets auf die Schieberscheibe 9 gegen den Dichtring 2 wirkt.
Diese Schließkraft
wird durch die Wirkung der Vorspannfedern 10 ergänzt, und
diese Schließkräfte werden
in der Schließrichtung
gegen den Dichtring 2 aufgebracht. Zusätzlich erzeugt das auf die
vorderen Flächen
des Dichtringes 2 wirkende Hochdruckfluid eine Öffnungskraft,
während
das auf die hinteren Flächen
herunter zu dem Dichtdurchmesser der Sekundärdichtung 12 wirkenden
Hochdruckfluid eine Schließkraft
erzeugt. Weiterhin erzeugen die verjüngten Flächenvertiefungen oder -Nuten,
die in die vordere Fläche
des Dichtringes 2 (oder hintere Fläche des Dichtringes 4)
geschnitten sind, Trenndruckfelder, die zwischen den Dichtringen 2, 4 wirken,
wobei die Größenordnung
der Druckfelder von der Rotationsgeschwindigkeit der Verdichterwelle
abhängt.
Der abzudichtende Hochdruck, die Tiefen der Vertiefungen oder Nuten
und die Abmessungen des Spalts zwischen den Dichtringen 2, 4 beeinflussen
ebenfalls die Größenordnung
der Druckfelder. Ob die Dichtringe 2, 4 der Wellendichtung
in Kontakt oder getrennt sind, hängt
von der Größenordnung
der erzeugten Öffnungs-
und Schließkräfte und
der Nettofedervorspannkraft ab.
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Wenn der Verdichter gestartet wird,
hält die Primärdichtung,
wenn sich die Drehzahl der Welle 6 anfänglich aufbaut, eine im wesentlichen
fluiddichte Abdichtung zwischen der Hochdruck- und der Niederdruck-Radialseite
aufrecht, und zwar mittels des abdichtenden Kontakts zwischen den
Dichtringen 2, 4. Unter diesen Bedingungen ist
die durch die Primärdichtung
erzeugte Nettotrennkraft unzureichend, um die Summe der Federvorspannkräfte und
der Nettoschließkraft,
die auf die Primärdichtung
infolge des aufgebrachten Hochdrucks wirkt, zu überwinden.
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Wenn allerdings die Verdichterwellengeschwindigkeit
einen ausreichenden Wert derart erreicht, dass der aufgebrauchte
Fluiddruck geeignet ist, um eine Trennkraft zu erzeugen, welche
die auf den Dichtring 2 wirkende Nettoschließkraft zu überwinden,
wird dieser Dichtring beginnen, sich weg von dem Dichtring 4 in
eine Gleichgewichtsposition zu bewegen, in welcher er eine kontaktlose
Dichtung zwischen dem rotierenden Dichtring 2 und dem nichtrotierenden
Dichtring 4 aufrecht erhält. Wie oben beschrieben funktioniert
die sekundäre
Dichtung 12 stets derart, um eine Leckage von Hochdruckfluid hinter
die hintere Fläche
des Dichtringes 2 und der Schieberscheibe 9 zu
verhindern.
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Wellendichtungen der oben unter Bezugnahme
auf 1 beschriebenen
Art arbeiten bei typischen Dichtdrücken von Verdichtern zufriedenstellend,
die in der Vergangenheit hergestellt worden sind. Derartige Verdichter
wurden typischerweise zum Verdichten von Gasen bei Drücken von
typischerweise etwa 200 Bar bis etwa 500 Bar hergestellt. Allerdings
fragt die Industrie nun Verdichter zum Verdichten von Gas von 300
Bar bis mehr als 800 Bar oder mehr nach. Andererseits wurde festgestellt,
dass bestehende Wellendichtungsdesigns nicht geeignet sind, um derartigen
Einlassdruckwerten zu widerstehen, und zwar aus Gründen, die
nun unter Bezugnahme auf 1a beschrieben
werden.
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Diese Figur zeigt in zu Zwecken der
Veranschaulichung überhöhter Weise
die Wirkung eines Betriebes unter derartigen Hochdruckwerten. Wie
in der Figur gezeigt, verformt der auf die äußere Fläche des sich nach vorne erstreckenden
Hülsenabschnitts 8a des
Gehäuses 8 zwischen
der Dichtung 12 und der Verbindung zu dem Flanschabschnitt 8b wirkende
Hochdruck den Flanschabschnitt nach innen, wobei die Auslenkung
mit zunehmendem Axialabstand in der Axialrichtung weg von dem Flanschabschnitt zunimmt.
Diese Torsionsverformung ist in 1a durch
einen Buchstaben A angegeben. Dementsprechend verformt der auf die
innere (vordere) Fläche des
radialen Flanschabschnitts 8b wirkende Hochdruck torsionsmäßig diesen
Flansch nach hinten, wie durch einen Pfeil B angegeben. Die Konsequenz
ist, dass wie in 1a und 2a gezeigt der sehr schmale Spalt,
der normalerweise zwischen der inneren Fläche des Dichtringes 2 und
der äußeren Fläche des sich
nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitts 8a des
Gehäuses 8 vorhanden
ist, vergrößert wird.
Mit zunehmendem auf die sekundäre
Dichtung 12 wirkendem Hochdruck und einem Aufweiten des
Spaltes zwischen dem Dichtring 2 und dem sich nach vorne
erstreckenden Hülsenabschnitt 8a beginnt
ein Wulst 12b sich zu bilden, wenn die sekundäre Dichtung 12 beginnt,
durch den sich aufweitenden Spalt herausgedrückt zu werden. Wenn es keinen
derartigen Wulst an der Sekundärdichtung 12 gibt,
bietet diese Dichtung einen geringen Reibwiderstand gegenüber einer
nach hinten gewandten, axialen Verschiebung der Schieberscheibe 9.
Wenn allerdings der Wulst 12b anfängt, sich zu bilden, nimmt
der Reibwiderstand zu, und zwar möglicherweise signifikant und
sogar zu einem Punkt, bei welchem die Schieberscheibe mit dem sich
nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitt 8a vereint
sein kann. Ferner, wenn der Wulst 12b fortfährt, zu
wachsen, kann sich eine zunehmend instabile Situation entwickeln, bei
welcher die Dichtfähigkeit
der Sekundärdichtung 12 progressiv
infolge des sich fortsetzenden Herausdrückens vermindert wird, bis
möglicherweise
eine instabile Situation erreicht wird, bei welcher die Dichtung 12 abgestoßen oder
durch den Spalt ausgeblasen wird, was zu einem Versagen der Wellendichtung führt. Es
ist zu beachten, dass der Wulst 12b sich normalerweise
nicht um die gesamte hintere Umfangsregion der Sekundärdichtung 12,
sondern im allgemeinen nur in einer einzelnen Winkelposition entlang
des Dichtungsumfangs bildet.
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Eine mögliche Lösung für dieses Problem, die in Betracht
gezogen worden ist, besteht darin, den zwischen dem Dichtring 2 und
der Schieberscheibe 9 vorhandenen Spalt, wenn die Wellendichtung
nicht in Gebrauch ist, zu minimieren, jedoch gibt es eine Grenze,
wie weit dieser Spalt vermindert werden kann, da die Schieberscheibe 9 frei
sein muss, eine begrenzte Axialbewegung auszuführen, wenn die Wellendichtung
nicht in Betrieb ist. Ferner ist eine radial nach innen gerichtete
Auslenkung des Hülsenabschnitts 8a unvermeidlich,
jedoch darf diese Hülse nicht
in der Lage sein, in Kontakt mit der inneren Hülse 7 der (rotierenden)
Welle bei vollem Betriebsdruck zu kommen.
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Eine weitere Lösung, die in Betracht gezogen
worden ist, ist die Verwendung härterer
Materialien zum Bilden der Dichtteile der Sekundärdichtung 12. Allerdings
gibt es eine Grenze, wie hart die ausgewählten Materialien sein können, insbesondere
da härtere
Materialien weniger wirksam zum Bereitstellen der erforderlichen
Dichtwirkung sind und sie ebenso die erzeugten Reibungskräfte erhöhen.
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Federbeaufschlagte Polymerdichtungen wurden
vorgeschlagen. Allerdings beträgt
der Betriebsdruck, bei welchem Wulste anfangen, sich an derartigen
Dichtungen zu bilden, etwa 200 bis 250 Bar.
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Die vorliegende Erfindung dient zum
Bereitstellen einer Wellendichtung, die in den obigen Gesichtspunkten
verbessert ist und hohen Betriebsdrücken im Bereich von Null Bar
bis 300 Bar oder mehr widerstehen kann. Sie bezieht sich auf eine
Wellendichtung, wie sie eingangs definiert wurde, und ist gekennzeichnet
durch eine Hilfshülse,
die um den Hülsenabschnitt
koaxial hierzu vorgesehen ist, und gegen welche die Schieberscheibe
durch die Wirkung der Vorspanneinrichtung vorgespannt ist, wobei
die Hilfshülse
in dichtender Berührung
mit dem Hülsenabschnitt
durch das erste Dichtelement und in dichtender Berührung mit
dem Dichtelement gehalten ist.
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Da der auf die Hilfshülse wirkende
Fluidhochdruck eine radial nach innen gerichtete Nettokraft erzeugt,
kann sie derart angeordnet werden, dass der schmale, zwischen der
Hilfshülse und
dem sich nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitt des Maschinengehäuses existierende
Spalt, wenn kein Fluiddruck auf die Wellendichtung aufgebracht wird, sich
nicht in dem Ausmaß vergrößern wird,
der in Wellendichtungen des Standes der Technik auftritt, wie sie
unter Bezugnahme auf 1 und 1a offenbart sind. Daher
gibt es eine verminderte Tendenz, dass sich zwischen dem ersten
Dichtelement und dem sich nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitt ein
beträchtlicher
Reibungswiderstand entwickelt, oder dass das erste Dichtelement
im Hochdruckbetrieb herausgedrückt
wird.
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Geometrie, Material und Design der
Hilfshülse
sind idealer Weise derart, dass das Verziehen der Hilfshülse im wesentlichen
zu demjenigen der sich nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitts
und der Fluiddruck passt, so dass der Spalt zwischen diesen zwei
Elementen im wesentlichen derselbe bleibt, ungeachtet des wirkenden
Fluiddrucks, wodurch die Gefahr, dass sich ein Wulst an dem ersten
Dichtelement bildet, vermieden oder minimiert wird.
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Die Dichtung zwischen der Hilfshülse und dem
Dichtelement kann durch direkten Kontakt zwischen diesen Bauteilen
sein. In dieser Ausführungsform
ist bevorzugt eine Lippe an der Hilfshülse gebildet, um dichtenden
Kontakt zu dem Dichtelement bereitzustellen. Da keine separate Dichtung
vorgesehen ist, können
eine einfache Konstruktion und geringere Kosten erzielt werden.
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Das erste Dichtelement ist bevorzugt
in einem in dem sich nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitt des Dichtgehäuses gebildeten
Kanal gelegen. Alternativ kann der Kanal, in welchem das erste Dichtelement
gelegen ist, in der Hilfshülse
gebildet sein. Die Vorspanneinrichtung wird bevorzugt zwischen einem
Flanschabschnitt des Gehäuses
und der Schieberscheibe.
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Die Wellendichtung kann in eine Turbomaschine
oder eine andere druckbeaufschlagte Maschine eingebaut sein, obgleich
sich die nachfolgende Beschreibung der Einfachheit halber auf den
spezifischen Fall eines Verdichters bezieht, wie in den Beispielen
des Standes der Technik, die unter Bezugnahme auf 1 und 1a beschrieben
worden sind.
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Zum besseren Verständnis der
Erfindung und zum Zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, wird nun beispielhaft
auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1 ist
eine teilweise Längsschnittansicht durch
eine erste bekannte Wellendichtung, welche die relevanten strukturellen
Elemente der Dichtung zeigt;
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1a ist
eine entsprechende Ansicht, welche ein Verziehen bestimmter struktureller
Elemente in überhöhter Weise
zu Zwecken der Veranschaulichung zeigt;
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2, 2a sind entsprechende Ansichten
zu 1, 1a einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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3 ist
eine explosionsartige Ansicht der Wellendichtung gemäß der ersten
Ausführungsform;
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4, 4a sind entsprechende Ansichten
zu 2, 2a einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
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5 und 6 sind Ansichten in einem
vergrößerten Maßstab, entsprechend 2a, einer dritten bzw. vierten
Ausführungsform.
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Die in 2, 2a veranschaulichte Wellendichtung
ist identisch zu der oben unter Bezugnahme auf 1, 1a beschriebenen,
außer
in den nachfolgend beschriebenen Gesichtspunkten. In dem Ausmaß, in welchem
die Konstruktion dieselbe ist, wird diese durch die Verwendung identischer
Bezugszeichen angegeben.
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Die Wellendichtung 1 umfasst
zusätzlich eine
Hilfshülse
(oder einen Ring) 20, die um den Hülsenabschnitt 8a koaxial
hierzu vorgesehen ist, wobei ein schmaler Spalt die zwei Elemente 8a, 20 radial trennt.
Die Hilfshülse
umfasst einen radialen Flansch 20b an ihrer äußeren Fläche, gegen
welche die Schieberscheibe durch die Vorspannfedern 10 gedrückt wird.
In dieser Ausführungsform
sind die kombinierten Dichtfunktionen der einzelnen Sekundärdichtung
in der Wellendichtung aus 1, 1a durch eine Sekundärdichtung 12', die in einer
abgestuften Vertiefung vor dem äußeren Flansch 20b gelegen
ist und gegen die hintere Fläche
des Dichtringes 2 abdichtet, und durch eine weitere Sekundärdichtung 12", die in einem
in der inneren Fläche
der Hilfshülse 20 gebildeten
Kanal gelegen ist und gegen die äußere Fläche des
Hülsenabschnitts 8a des
Gehäuses 8 wirkt,
vorgesehen. Die Dichtungen 12', 12" können jegliche geeignete Form
besitzen, wie eine federbeaufschlagte Y-Dichtung, ein O-Ring 16' oder eine federbeaufschlagte
U-Dichtung oder
Y-Dichtung.
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3 ist
eine Explosionsansicht der Wellendichtung, die eine deutliche Darstellung
der Geometrie der jeweiligen Elemente der Wellendichtung gibt.
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Bei Verwendung der Wellendichtung
wirkt das Hochdruckfluid, das auf der Hochdruckfluidseite der Primärdichtung
wirkt, wie in dem Falle der bekannten Wellendichtungen gemäß 1, 1a gegen die Schieberscheibe 9,
um den sich nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitt 8a zu
veranlassen, radial nach innen ausgelenkt zu werden. Das Verziehen
des sich nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitts ist progressiv
von der Verbindung des sich nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitts 8a mit dem
Flanschabschnitt 8b, und zwar aufgrund des Druckdifferentials
zwischen dem auf den Hauptabschnitt 8a wirkenden, inneren
und äußeren Druck. Der
Flanschabschnitt 8b widersteht im wesentlichen einem Verziehen
des Hülsenabschnitts 8a in
der Region dieses Endes. Das maximale, nach innen gerichtete radiale
Verziehen tritt an dem anderen (vorderen) Ende auf.
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Allerdings verzieht in der vorliegenden
Ausführungsform,
wie in 2a gezeigt, der
auf die Hilfshülse 20,
insbesondere um deren äußere Oberfläche, wirkende
Fluidhochdruck in ähnlicher
Weise die Hilfshülse 20 auf
ihrer Vorderseite nach innen. Daher verändert sich der zwischen der äußeren Fläche des Hülsenabschnitts 8a und
der inneren Fläche
der Hilfshülse 20 vorhandene,
schmale Spalt sich nicht viel, wodurch die Möglichkeit, dass der auf die
Sekundärdichtung 12" wirkende Hochdruck
die Dichtung veranlasst, in den Spalt herausgedrückt zu werden, vermieden oder
zumindest minimiert wird. Ferner hält die Dichtung 12' eine angemessene
Abdichtung zwischen der vorderen Fläche der Hilfshülse 20 und
der hinteren Fläche
der Dichtfeder 2 aufrecht. Daher wird, selbst wenn unter
hohen Drücken
von beispielsweise bis zu 300 Bar gearbeitet wird, die Sekundärdichtung 12" nicht beginnen,
einen hohen Reibungswiderstand gegenüber der Schiebewirkung der Schieberhülse entgegenzusetzen,
noch wird sie aus der Vertiefung 14 in der Schieberscheibe 9 ausgestoßen oder
ausgeblasen werden.
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Es ist bevorzugt, die Hilfshülse 20 derart
auszulegen, dass der Spalt zwischen dieser und dem sich nach vorne
erstreckenden Hülsenabschnitt 8a im
wesentlichen konstant bleibt, ungeachtet des Drucks, der auf der
Hochdruckradialseite wirkt. Dieses Ergebnis kann durch geeignete
Auswahl der Geometrie und der Relativabmessungen der Hilfshülse 20 und
der sich nach vorne erstreckenden Hülsenabschnitts 8a,
und durch geeignete Auswahl der Materialien, aus welchen diese zwei
Bauteile hergestellt sind, erzielt werden. Die radiale und in Ringrichtung wirkende
Steifigkeit der Hilfshülse 20 sind
dieselben wie diejenigen des Hülsenabschnitts 8a.
Es ist ebenso bevorzugt, dass die Materialien, aus denen die Hilfshülse 20 und
das Gehäuse 8,
insbesondere der Hülsenabschnitt 8a,
hergestellt sind, dieselben sind, so dass der Spalt zwischen diesen
zwei Bauteilen im wesentlichen unveränderlich bleibt, ungeachtet
von Temperaturveränderungen.
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Die Ausführungsform gemäß 4, 4a zeigt eine mögliche Modifikation, die lediglich
das Aufnehmen des zweiten Dichtelements 12" in einem in dem Hülsenabschnitt 8a gebildeten
Kanal 14 anstelle in der Hilfshülse 20 umfasst.
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In den beschriebenen Ausführungsformen stellt
die Sekundärdichtung 12' eine im wesentlichen fluiddichte
Abdichtung zwischen dem Dichtring 2 und der Hilfshülse 20 bereit.
Allerdings ist in der Ausführungsform
aus 5 keine derartige
Dichtung als getrenntes Dichtelement vorgesehen. Stattdessen gibt es
einen direkten Kontakt zwischen einer an der Hilfshülse 20 gebildeten
Rohlippe 20a und der hinteren Fläche des Dichtringes 2.
Dies führt
zu einer vereinfachten Konstruktion und somit zu geringeren Kosten.
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In der Modifikation gemäß 6 steht die Lippe 20a von
der Hilfshülse
nach außen
hervor. Auf diese Weise ist sie in der Lage, etwas elastisch ausgelenkt
zu werden. Diese "weiche" Lippenanordnung kann
die Qualität
der Dichtung zwischen der Hilfshülse
und dem Dichtring 2 verglichen mit der Ausführungsform
aus 4 verbessern.
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In dem Falle der kontaktlosen Wellendichtungen
gemäß 5 und 6 ist es möglich, den Kanal 19 in
dem Hülsenabschnitt 8a anstelle
in der Hilfshülse 20 zu
bilden, wie im Falle der Ausführungsform
aus 4, 4a.
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Als eine Alternative zu den Vorspannfedern 10 kann
eine Wellenfeder beispielsweise in der Form eines Einzelrings (oder
mehreren gestapelten) aus geeignetem Blechmaterial, beispielsweise
Metall, derart verformt werden, um in verschiedenen Winkelpositionen
um die Achse des Rings aufeinanderfolgende Wellen zu bilden. Der
verformte Ring wird zwischen der Schieberscheibe 9 und
dem Flanschabschnitt 8b des Gehäuses 8 zusammengedrückt, wodurch
die erforderliche Vorspannwirkung nach Art einer Blattfeder bereitgestellt
wird.
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In den beschriebenen Ausführungsformen
ist die Quelle des Hochdruckfluids das Arbeitsfluid des Verdichters,
dessen Druck entsprechend mit einer ansteigenden Verdichterarbeitsgeschwindigkeit
ansteigt. Wenn eine von dem Arbeitsfluid getrennte Quelle für das Hochdruckfluid
verwendet wird, wird dessen Druck normalerweise bei einem vorgegebenen
Lieferdruck gehalten werden. Wenn der Verdichter im Rohzustand ist,
ist die auf die Primärdichtung wirkende
Nettokraft bevorzugt eine Schließkraft, welche den Dichtring 2 gegen
den Dichtring 4 hält.
Wenn allerdings der Verdichter ausreichend beschleunigt hat, ist
die durch die verjüngten
Nuten oder Vertiefungen in dem Dichtring oder der Primärdichtung
ausreichend, um die zwei Ringe voneinander zu trennen. Daher ist
der Betrieb im wesentlichen derselbe in dem Falle, in welchem das
Arbeitsfluid des Verdichters die Quelle des Hochdruckfluids ist.
Obwohl es in dieser Ausführungsform
bevorzugt ist, dass der Dichtring 2 gegen den Dichtring 4 gehalten
ist, wenn der Verdichter im Ruhezustand ist, ist es möglich, dass die
Wellendichtung im Ruhezustand etwas offen ist, da die wesentliche
Anforderung lediglich ist, dass die Wellendichtung einen kontaktlosen
Betrieb bereitstellt, wenn der Verdichter bei einer normalen Betriebsgeschwindigkeit
arbeitet.