DE69615915T2

DE69615915T2 - Gleitringdichtung mit grosser Angularanpassung

Info

Publication number: DE69615915T2
Application number: DE69615915T
Authority: DE
Inventors: Matthew D. Cunningham; James F. Gardner
Original assignee: EG&G Sealol Inc
Current assignee: Revvity Inc
Priority date: 1995-05-04
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2016-04-13
Also published as: DE69615915D1; EP0745793A1; EP0745793B1; JPH09112708A; US5769604A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasdichtungen und, insbesondere, auf sich nicht berührende Gasdichtungen zum Abdichten von Bereichen mit hohem Druck gegenüber Bereichen mit niedrigem Druck gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Viele Arten von Maschinen verwenden sich nicht berührende Dichtungen (mit Freiraum), um Gas unter Druck aufzunehmen. Oftmals sind diese Dichtungen einfache Labyrinth- Dichtungen, die einen Druck unter Verwendung einer Reihe von Zähnen oder Stegen in enger Nähe zu einer Drehwelle herabsetzen. Solche Vorrichtungen sind ausreichend bekannt und zuverlässig, lassen allerdings hohe Raten einer Gasleckage zu. Typischerweise betragen die Freiräume zwischen den Lamellenspitzen einer Labyrinth-Dichtung und der Welle bis zu 1,0254-0,0508 mm (0,0001-0,0002 inch) pro Inch-Wellen-Durchmesser. Eine Menge Arbeit muss vorgenommen werden, um die Leckage von Labyrinth- Dichtungen zu verringern. Typischerweise sind die Maßnahmen vergangener Bemühungen auf eine verbesserte Lamellengeometrie (z. B. nach hinten angewinkelte Lamellen- Designs), Stufendichtungen, oder sich ineinander verriegelnde Lamellen-Designs gerichtet worden, um Verluste zu verringern. Designs mit abreibbaren Labyrinth-Dichtungen sind auch entwickelt worden und werden eingesetzt, insbesondere bei Strahlantrieben. Die Lamellen solcher abreibbaren Dichtungen werden zu Anfang mit einem Freiraum Linie an Linie installiert und nutzen sich dann in deren eigenem Freiraum ab, wenn sich die Maschine dreht. Allerdings wird, nachdem der Rotor einem Betriebsverlauf mit einer radialen Vibration verbunden mit axialen Auslenkungen durchlaufen hat, ein halbmondförmiger Freiraum oftmals in die abradierbare Dichtung eingeschnitten und eine Leckage kann dramatisch zunehmen. Im Hinblick auf viele verbesserte Designs sind deshalb weiterhin Leckageverluste bei Labyrinth-Dichtungen vorhanden, die einen beträchtlichen Energieverlust darstellen.
Ein weiteres, wesentliches Problem in Verbindung mit Hochdruck-Labyrinth-Dichtungen ist das Auftreten von rotordynamischen Effekten. Da Gas unter hohem Druck sehr dicht ist, beginnt eine Labyrinth-Dichtung damit, als ein Lager mit hohen Gasdrücken zu wirken, tendiert allerdings dazu, den Rotor aufgrund eines Fehlens einer Konzentrizität zu den tatsächlichen Maschinenlagern zu destabilisieren. Wesentliche Bemühungen sind in der neueren Zeit vorgenommen worden, um rotordynamische Anregungseffekte zu verringern. Der Gegenstand dieser Bemühungen umfasst Wirbelunterbrechungen vor einem Labyrinth, Erzeuger in umgekehrtem Wirbel und Einspritzen von sich tangential nicht umfangsmäßig bewegendem Gas in den ersten Ruhebereich des Labyrinths. Weitere Maßnahmen wurden auf eine optimierte Geometrie und Erzeugen einer rauhen Oberfläche innerhalb der Labyrinth-Dichtung konzentriert, um einen umfangsmäßigen Gasgeschwindigkeitsabbau zu verzögern. Auch sind Labyrinth-Dichtungen mit Waben-Design entwickelt worden, um rotordynamische Anregungseffekte zu verringern. Allerdings ist eine weitere Verringerung von rotordynamischen Effekten für Anwendungen, wie beispielsweise Strahlantrieben, erwünscht.
Ein anderer Typ einer berührungslosen Dichtung, der entwickelt worden ist, ist eine gasgeschmierte Flächendichtung. Eine der ersten Arbeitsbeispiele einer solchen Flächendichtung wurde in dem US-Patent Nr. 3,499,653 für Gardner offenbart. Bei dieser Dichtung werden die relativ drehbaren Dichtelemente davor bewahrt, dass sie sich während eines Betriebes gegeneinander berühren, um dadurch eine Abnutzung an den Dichtelementen und einen Wärmeaufbau aufgrund von Reibung zu verringern. Ein Druckgasfilm wird zwischen den Dichtelementflächen erzeugt, um sie zu separieren. Der Gasfilm wird durch Einstellen von flachen, spiralförmigen Rillen, die in den äußeren Umfang der Dichtungsfläche eines der Dichtelemente eingeschnitten sind, gebildet. Während einer relativen Drehung der Dichtelemente bewirken die Rillen, dass Gas nach innen mit einem ausreichenden Druck gedrückt (gepumpt) wird, um die Dichtelementflächen genug voneinander zu trennen, um die Dichtfilmschicht zu bilden.
Gasflächendichtungen dieses Typs sind erfolgreich in Anwendungen verwendet worden, bei denen die Größe der Dichtung von einem Wellendurchmesser mit 38,10 mm (1,5 inch) bis zu einem Außendurchmesser der Dichtung von 381 mm (15,0 inch) reichte. Betriebsdrücke von bis zu 1,034·10,7 Pa, Betriebsgeschwindigkeit von bis zu 152,4 m/sec (500 ft/sec) und Betriebstemperaturen von bis zu 222,24ºC (400ºF) sind in Flächendichtungen, verwendet in Zentrifugalgaskompressoren, erreicht worden. Solche Dichtungen können eine Leckage von ungefähr 1 scfm oder weniger haben und arbeiten mit Gasfilmen bis zu 0,00203-0,00381 mm (0,080-0,150 mils), mit einer Steifigkeit von 1226,38-1751,17 N/mm (7-500 Psid). Bei solchen Dichtungen beträgt die Ablenkung der Rotorfläche von einer Position parallel zu der Stator-Dichtungsfläche typischerweise bis zu 0,00254- 0,00762 mm (0,100-0,300 mils).
Es ist wichtig, dass, um erfolgreich mit einer solchen Dichtung zu arbeiten, die Dichtungsflächen im wesentlichen parallel zueinander entlang deren gesamten Dichtbereichen gehalten werden müssen, wenn sich der Rotor bewegt und sich unter dem Einfluss von verschiedenen Kräften deformiert. Wenn sich die Dichtungsflächen zu sehr voneinander weg bewegen, insbesondere an nur einem radialen Bereich der Dichtung, werden nicht akzeptierbare Niveaus einer Leckage auftreten. Falls sich die Dichtungsflächen zusammen bewegen, können sie einander berühren, mit einer nicht erwünschten Abnutzung, was auch zu einer Leckage führt. Demzufolge muss die Stator-Dichtungsfläche in der Lage sein, den Ablenkungen der Rotorfläche zu folgen, während eine Filmdicke beibehalten wird.
Faktoren, die bewirken könnten, dass sich die Rotor-Dichtungsfläche ablenkt, umfassen Zentrifugalkräfte, verursacht durch die Drehung des Rotors, radiale Auswanderungen und thermische Ablenkungen. Thermische Ablenkungen können extrem groß bei Dichtungen mit großem Durchmesser aufgrund davon sein, dass thermische Energie, die in die Dichtungsfläche hineinfließt, proportional zu dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit des Rotors ist, und proportional zu der vierten Potenz des Dichtungsradius ist. Weiterhin werden, einfach aufgrund davon, dass der Radius eines Rotors größer ist, die Auslenkungen an der äußeren Oberfläche der Rotor-Dichtungsfläche proportional größer für einen gegebenen Winkel einer Ablenkung sein. Auch müssen in heißeren Umgebungen Dichtelemente aus geeigneten Hochtemperaturlegierungen oder Keramiken, im Gegensatz zu Niedertemperaturmaterialien (wie beispielsweise Kohlenstoffgraphit) gemacht werden, deren physikalische Eigenschaften in einer solchen Anwendung begrenzt sind. Allerdings werden Metalle allgemein stärker einer thermischen Expansion unterworfen, was zu einer stärkeren Ablenkung und Konizität der Rotoroberfläche führt.
Während der Typ einer Dichtung, der in dem vorstehenden Patent offenbart ist, gut in seiner vorgesehenen Umgebung arbeitete, sind die Dichtelemente nicht passend genug oder genug ansprechend, um in größeren Umgebungen, wie beispielsweise Kompressorentladungen von Strahlantrieben, Vorverwirbelungseinrichtungen oder Schubtriebwerken verwendet werden können, bei denen Labyrinth-Dichtungen nun üblicherweise verwendet werden. An diesen Stellen können die Rotoroberflächengeschwindigkeiten ungefähr 64 m/sec (1000 ft/sec) sein und Temperaturen können 555,60ºC (1000ºF) übersteigen, was zu einer größeren Rotor-Dichtungsflächenbewegung von der parallelen Position aus in dem Bereich von ungefähr (0,0762) 3 mils führt.
Auch ist eine berührungslose Dichtungsanordnung aus der DE-A-38 19 566 und der FR-A- 2385013 bekannt. Diese Dokumente offenbaren eine berührungslose Dichtungsanordnung, bei der relativ drehbare Dichtelemente davor bewahrt werden, dass sie sich gegeneinander während eines Betriebs berühren, und zwar unter Verwendung eines Druckgasfilms. Der Gasfilm ist durch zwei Sätze Spiralrillen an dem äußeren Umfang der Dichtungsfläche eines der Dichtelemente gebildet. Beide Sätze von Rillen erstrecken sich in unterschiedlichen Richtungen spiralförmig um die Mittelachse herum, so dass der erste Satz von Rillen und der zweite Satz von Rillen Fluid in unterschiedlichen, radialen Richtungen während eines Betriebs des Rotors in Bezug auf den Stator pumpen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Drehdichtungsanordnung zu schaffen, die verbesserte Dichteigenschaften besitzt.
Die Aufgabe gemäß der Erfindung wird durch eine Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht. Die bevorzugten Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht. Es ist eine Druckverteilung innerhalb des ersten und des zweiten Hochdruckbereichs entlang des gegebenen Radius vorhanden, um dadurch entsprechend den Stator so zu deformieren, dass die Stator-Dichtungsfläche im wesentlichen parallel zu der Rotor- Dichtungsfläche an jedem Punkt entlang eines gegebenen Radius verbleibt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Drehdichtungsanordnung zum Verhindern einer Leckage eines Fluids von einem Bereich eines hohen Druckes in einem Gehäuse zu einem Bereich eines relativ niedrigen Drucks geschaffen. Die Anordnung weist ein erstes Element, angebracht innerhalb des Gehäuses und mit einer zentralen Achse und einer ringförmigen Dichtungsfläche, die sich in einer Richtung im wesentlichen radial zu der Mittelachse erstreckt, und ein zweites Element, angeordnet in dem Gehäuse und mit einer ringförmigen Dichtungsfläche, die sich in einer Richtung im wesentlichen radial zu der Mittelachse und gegenüberliegend zu der Dichtungsfläche des ersten Elements erstreckt, auf. Die Dichtungsfläche des zweiten Elements besitzt einen ersten Satz von Rillen und einen zweiten Satz von Rillen, angeordnet zirkular dort herum, und der zweite Satz von Rillen ist radial nach innen zu dem ersten Satz von Rillen beabstandet. Eines des ersten und des zweiten Elements ist ein Rotor und das andere ist ein Stator, wobei der Rotor um die Mittelachse herum drehbar ist. Eine Statorhalteranordnung trägt den Stator innerhalb des Gehäuses, wobei diese Statorhalteranordnung den Stator gegen eine Drehung sichert und die Stator-Dichtungsfläche zu der Rotor-Dichtungsfläche hin drückt. Unter Druck gesetztes Fluid fließt zwischen den Dichtungsflächen und innerhalb des ersten und des zweiten Satz von Rillen, um dadurch eine Gasfilmdichtung zwischen den Dichtungsflächen zu bilden. Vorzugsweise umfaßt die Dichtfläche des zweiten Elements weiterhin einen ersten Dammbereich, der radial nach innen des ersten Satzes angeordnet ist.
Es ist verständlich, dass sowohl die vorstehende, allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende, detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd sind und dazu vorgesehen sind, eine weitere Erläuterung des tatsächlichen Schutzumfangs der Erfindung zu erzielen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die beigefügten Zeichnungen, die beigefügt sind, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu erzielen und die dazu vorgesehen sind, einen Teil der Beschreibung zu bilden, zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen:
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung, umfassend einen Stator gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die sekundäre Dichtung ein Kolbenring ist;
Fig. 2 zeigt eine Teilvorderansicht einer Dichtungsfläche des Stators der Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht des Stators, vorgenommen entlang der Linie III-III der Fig. 2;
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht des Stators, vorgenommen entlang der Linie IV-IV der Fig. 2;
Fig. 5 zeigt eine schematische Seitenansicht der Fluidströmung und der Druckverteilung um den Stator herum;
Fig. 6 zeigt eine Vorderansicht eines Federkolbenrings zur Verwendung in der Dichtungsanordnung der Fig. 1;
Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht des Federkolbenrings der Fig. 6;
Fig. 8 zeigt eine Schnittansicht des Federkolbenrings, vorgenommen entlang der Linie XVIII-XVIII der Fig. 6;
Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung wie in Fig. 1, wobei die zweite Dichtung eine Bürstendichtung ist;
Fig. 10 zeigt eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung wie in Fig. 1, wobei die zweite Dichtung eine Faltenbalgdichtung ist;
Fig. 11-15 zeigen schematische Seitenansichten der Drücke, die auf die Stator- Dichtungsfläche in verschiedenen Orientierungen einwirken;
F16 zeigt eine Teilvorderansicht einer Dichtungsfläche eines Stators gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, geeignet zur Verwendung in der Dichtungsanordnung der Fig. 1;
Fig. 17 zeigt eine Schnittansicht des Stators, vorgenommen entlang der Linie XVII-XVII der Fig. 16;
Fig. 18 zeigt eine Schnittansicht des Stators, vorgenommen entlang der Linie XVIII-XVIII der Fig. 16; und
Fig. 19 zeigt eine Schnittansicht einer alternativen Dichtungsanordnung zu derjenigen der Fig. 1.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es wird nun Bezug im Detail auf die derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, genommen, wobei entsprechende Bezugszeichen entsprechende oder ähnliche Teile durch die verschiedenen Zeichnung hinweg bezeichnen.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1- 13 beschrieben. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, umfasst eine Dichtungsanordnung 100 ein Gehäuse 102, in dem zwei Dichtelemente, ein Rotor 104 und ein Stator 106 montiert sind. Der Stator 106 ist an dem Gehäuse 102 mittels einer Statorhalteranordnung 108 gesichert. Es sollte verständlich werden, dass das Gehäuse 102, der Rotor 104, der Stator 106 und die Statorhalteanordnung 108 ringförmig sind, und Fig. 1 und andere ähnliche Figuren zeigen nur die Oberseitenbereiche dieser Elemente. Es wird davon ausgegangen, dass der Stator 106 einen Außendurchmesser bis zu 20 inch oder mehr groß haben kann, und zwar innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist der Rotor 104 innerhalb des Gehäuses 102 für eine Drehung um eine Mittelachse 118 befestigt. Der Rotor 104 besitzt eine ringförmige Dichtungsfläche 105, die sich in einer Richtung im wesentlichen radial zu der Mittelachse 118 erstreckt. Die Rotor-Dichtungsfläche 105 ist vorzugsweise auf eine Toleranz von ungefähr 0,254-0,38 um (10-15 uin), falls möglich, geläppt, allerdings sind Toleranzen in der Größenordnung von ungefähr 2,54 um (100 uin) akzeptierbar, insbesondere in Anwendungen, wie diejenigen, die in Fig. 1 dargestellt sind, wenn die Rotordichfläche 105 direkt in ein Drehmaschinenelement eingeschliffen ist. Der Rotor 104 und der Stator 106 liegen gegenüberliegend zueinander an einer Dichtzwischenfläche 110, die einen Bereich 112 mit hohem Druck (Psystem) von einem Bereich 114 eines relativ niedrigen Drucks (Pdischarge) trennt.
Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst, wie in Fig. 2 dargestellt ist, der Stator 106 ein ringförmiges Element 116, das eine Mittelachse 118 definiert, und eine Dichtungsfläche 120, angeordnet auf dem ringförmigen Element und sich in einer Richtung im wesentlichen radial zu der Mittelachse erstreckend. Die Stator-Dichtungsfläche 120 erstreckt sich von dem Innendurchmesser des ringförmigen Elements 116 zu seinem Außendurchmesser. Die Rotor-Dichtungsfläche 105 erstreckt sich vorzugsweise über die Stator-Dichtungsfläche 120 an dem inneren und äußeren Durchmesser des ringförmigen Elements weit genug hinaus, um den radialen Lauf heraus und Auslenkungen aufzunehmen. Dieser zusätzliche Abstand liegt im wesentlichen indem Bereich von 1,59 mm (1/16 eines inch) bei irgendeinem Durchmesser.
Vorzugsweise ist der Stator 106 aus einem flexiblen, metallischen Material, wie beispielsweise Inconel 718, hergestellt. Dieses Material ist besonders dann erwünscht, wenn der Stator 106 in einer Umgebung verwendet werden soll, in der die Temperatur 555,6ºC (1000ºF) übersteigen kann. Die Stator-Dichtungsfläche 120 sollte zu einer Toleranz von ungefähr ± 0,00508 mm (0,002 inch) geschliffen sein, um eine geeignete Dichtung sicherzustellen, und eine dünne, tribologische Beschichtung, wie beispielsweise diejenige, die in der US-Patentanmeldung Serial No. 08/376116, angemeldet am 20. Januar 1995, im Besitz des Erwerbers der Anmeldung, offenbart ist, und unter Bezugnahme darauf die eingeschlossen ist, kann eingesetzt werden, um eine Reibung zu verringern.
Um eine geeignet Flexibilität sicherzustellen, sollte die Dicke des Stators minimiert werden, allerdings nicht über den Punkt hinaus, dass die achssymmetrische, winkelmäßige Steifigkeit des Stators die Rotorauslenkungen, die bei einer gegebenen Anwendung vorhanden sind, anpassen bzw. aufnehmen kann. Größere Luft- und Raumfahrtanwendungen können eine Steifigkeit von ungefähr einem Fünftel derjenigen von industriellen Anwendungen nach dem Stand der Technik erfordern, was demzufolge einen dünneren Stator erfordert als derjenige, der zuvor verwendet wurde. Zum Beispiel haben die Anmelder vorgesehen, dass, für einen Stator mit einem Außendurchmesser von 243,84 mm (9,6 inch), der einen Innendurchmesser von 177,80 mm (7,7 inch) besitzt, die Dicke ungefähr 5,08 mm (0,200 inch) haben sollte, um eine notwendige Flexibilität sicherzustellen.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist ein erster Satz von Rillen 122 kreisförmig um die Dichtungsfläche 120 herum angeordnet. Ein zweiter Satz von Rillen 124 ist auch kreisförmig um die Stator-Dichtungsfläche 120 herum angeordnet und ist radial nach innen zu dem ersten Satz der Rillen 122 beabstandet. Die Rillen 122 und 124 sind vorzugsweise gebogen und sind spiralförmig um die Mittelachse 118 herum angeordnet. Demzufolge liegt keine der Rillen 122 oder 124 koaxial zu dem ringförmigen Element 116. Die Enden der Rillen 122 und 124 sind vorzugsweise 7-20º voneinander um die Mittelachse 118 des Stators 106 herum beabstandet.
Für den Stator mit 243,84 mm (9,6 inch), der vorstehend diskutiert ist, umfasst jeder Satz der Rillen sechzehn gleichmäßig beabstandete Rillen, jeweils um 22,5 Grad von den benachbarten zwei Rillen. Der Krümmungsradius jeder der äußeren Rillen 122 beträgt ungefähr 119,38 mm (4,7 inch) und der Krümmungsradius jeder der inneren Rillen 124 beträgt ungefähr 104,14 mm (4,1 inch). Vorzugsweise besitzt jede der Rillen 122 und 124 eine Tiefe von ungefähr 0,00762-0,0254 mm (0,0003-0,0010 inch), am bevorzugsten ungefähr 0,0127 mm (0,0005 inch).
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, umfasst der Stator 106 weiterhin eine Mehrzahl von Damm bzw. Dämmbereichen. Ein erster Dammabschnitt 126 ist auf der Dichtungsfläche 106 radial nach innen des ersten Satzes von Rillen 122 angeordnet und ein zweiter Dammabschnitt 128 ist auf der Dichtungsfläche radial nach innen des zweiten Satzes von Rillen 124 angeordnet. Die Dammabschnitte 126 und 128 wirken mit den jeweiligen Rillen 122 und 124 so zusammen, um den dünnen Fluidfilm zwischen dem Rotor 104 und dem Stator 106 während eines Betriebs der Dichtungsanordnung 100 zu bilden, wie nachfolgend beschrieben werden wird. Der erste Satz Rillen 122 und der erste Dammabschnitt 126 wirken so zusammen, um einen winkelmäßigen Hochdruckbereich zu erzeugen, der auf die Stator-Dichtungsfläche 120 einwirkt, und der zweite Satz Rillen 124 und der zweite Dammabschnitt 128 wirken so zusammen, um einen zweiten, ringförmigen Hochdruckbereich zu erzeugen, der auf die Stator-Dichtungsfläche radial nach innen des ersten Hochdruckbereichs einwirkt. Wie nachfolgend diskutiert werden wird, können die Rillen 122 und 124 alternierend sich radial erstreckend vorliegen. Die Dammabschnitte 126 und 128 sind Teil der glatten Stator-Dichtungsfläche 120 und sind nicht entsprechend der Rillen 122 und 124 vertieft ausgebildet.
Wie in den Fig. 2-4 dargestellt ist, kommuniziert ein Fluidabfluss mit der Stator- Dichtungsfläche 120 radial nach innen des ersten Satzes von Rillen 122. Vorzugsweise umfasst der Fluidabfluss eine Vielzahl von gebogenen Abflusstaschen 132, die um die Stator-Dichtungsfläche 120 herum beabstandet sind. Umfangsmäßige Strömungsunterbrechungen 134 sind zwischen den gebogenen Ablasshohlräumen bzw. Ablasstaschen 132 vorgesehen, um sicherzustellen, dass jede Tasche bzw. jeder Hohlraum unabhängig des anderen Hohlraums dahingehend wirkt, Fluid von der Stator-Dichtungsfläche 120 abzuführen. Die unabhängige Wirkung der Ablasshohlräume 132 ermöglicht auch, dass unterschiedliche Bereiche des ringförmigen Elements 116 separat während eines Betriebs der Dichtungsanordnung 100 reagieren, um dadurch die Dichtfähigkeit zu verbessern. Jeder Ablasshohlraum 132 kommuniziert mit einem Ablasskanal 136, der durch das ringförmige Element 116 zu der radial inneren Oberfläche des ringförmigen Elements hindurch führt, um den Niederdruckbereich 114 zu erreichen. Die Ablasshohlräume 132 und die Ablasskanäle 136 sind so dimensioniert, um eine nicht beschränkte Strömung von der Stator-Dichtungsfläche 120 zu dem Niederdruckbereich 114 zu ermöglichen. Vorzugsweise sind für einen Stator, der einen Außendurchmesser von 243,84 mm (9,6 inch) besitzt, vierundzwanzig Ablasshohlräume 132 vorgesehen, jeder ungefähr 0,508 mm (0,020 inch) tief und 1,575 mm (0,062 inch) breit, und die Ablasskanäle 136 besitzen einen Durchmesser von ungefähr 1,778 mm (0,070 inch). Natürlich werden diese spezifischen Dimensionen, ebenso wie andere, die vorstehend angegeben sind, in Abhängigkeit von der Statorgröße und der bestimmten Anwendung variieren.
Wie in den Fig. 2-4 dargestellt ist, kommuniziert eine Fluidzuführung mit der Stator- Dichtungsfläche 120 radial nach innen von dem ersten Satz von Rillen 122. Vorzugsweise umfasst die Fluidzuführung eine Mehrzahl von gebogenen Hohlräumen 138, die um die Stator-Dichtungsfläche 120 herum radial nach innen der gebogenen Hohlräume 132 des Fluidablasses beabstandet sind. Die Querschnitte der Fluidzuführhohlräume 138 sind ähnlich zu denjenigen der Fluidablasshohlräume 132 dimensioniert und Strömungsunterbrechungen 134 sind ähnlich zwischen den Fluidzuführhohlräumen angeordnet, um eine unabhängige Wirkung zu erzielen. Jeder Zuführhohlraum 138 steht mit einem Zuführkanal 140, der sich von dem Hohlraum über das ringförmige Element 116 aus erstreckt, in Verbindung, um mit dem Hochdruckbereich 112 in Verbindung zu stehen. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, führt der Zuführkanal 140 gerade durch das ringförmige Element 116 hindurch, dieses auf einer geläppten, statischen Dichtungsfläche 142 gegenüberliegend der Stator- Dichtungsfläche 120 verlassend. Alternativ erstreckt sich der Zuführkanal (bezeichnet mit dem Bezugszeichen 240 in Fig. 18) radial nach außen durch das ringförmige Element 116 zu seiner radial äußeren Fläche. In Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung kann der Durchmesser der Zuführkanäle 140 so dimensioniert werden, um entweder einschränkend oder nicht einschränkend zu sein, und zwar in Abhängigkeit von der Größe von Psystem, und in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung.
Wie in den Fig. 2-4 dargestellt ist, ist ein dritter Dammabschnitt 130 auf der Stator- Dichtungsfläche 120 zwischen dem Fluidablass und der Fluidzuführung angeordnet. Der dritte Dammabschnitt 130 reduziert (allerdings schließt nicht aus) eine Strömung direkt von den Zuführhohlräumen 138 zu den Ablasshohlräumen 132 und ermöglicht, dass die Hohlräume 132 und 138 im wesentlichen unabhängig voneinander arbeiten, um dadurch zu ermöglichen, dass beide Sätze von Rillen und Dämmen 122 und 126, und 124 und 128, jeweils, relativ unabhängig voneinander arbeiten.
Die Länge der Rillen 122 und 124, und die Breite der Dammabschnitte 126, 128, 130 in der radialen Richtung, sollte so ausgelegt sein, dass das Null-Netto-Moment bzw. das Gesamtmoment relativ zu der Stator-Dichtungsfläche 120 erreicht wird, wenn der Rotor 104 nicht abgelenkt ist, und diese Dimensionen können für unterschiedliche Anwendungen variiert werden. In einem Stator mit einem Außendurchmesser von 243,84 mm (9,6 inch), der zuvor diskutiert ist, besitzen beide Sätze von Rillen 122 und 124 eine radiale Länge von ungefähr 13,208 mm (0,52 inch), und die Dammabschnitte 126, 128 und 130 besitzen eine radiale Dicke von ungefähr 2,54 mm (0,10 inch).
Es sollte verständlich werden, dass, während die Fig. 1-4 die Rillen 122 und 124, Dammabschnitte 126, 128 und 130 und die Fluidzuführung und den -ablauf so darstellen, dass sie auf der Stator-Dichtungsfläche 120 angeordnet sind, könnten sie in einigen Anwendungen auf der Rotor-Dichtungsfläche 105 angeordnet sein. Demzufolge können diese Elemente auf irgendeinem der zwei Dichtelemente angeordnet werden, und zwar innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung. Es wird erwartet, dass die Anordnung dieser Elemente auf dem Rotor einfacher in einer Anwendung, wie beispielsweise in Fig. 19, die nachfolgend diskutiert ist, sein würde, bei der der Rotor 304 separat auf der Drehanordnung befestigt ist, im Gegensatz dazu, ein integraler Teil der Drehanordnung zu sein.
Fig. 5 zeigt die Fluidströmung und die Druckverteilung um den Stator 106 herum. Der Strömungsbereich "A" läuft von dem Hochdruckabschnitt 112 an dem äußeren Durchmesser des ringförmigen Elements 116 radial nach innen über und durch den ersten Satz der Rillen122, über den ersten Dammabschnitt 126, in einen Ablasshohlraum 132 hinein und aus einem Ablasskanal 136 heraus zu dem Niederdruckbereich 114. Strömungsbereiche "B" und "C" starten zu Anfang zusammen an dem Hochdruckbereich 112 und laufen durch einen Zuführkanal 140 und aus einem Zuführhohlraum 138 heraus, bevor sie sich voneinander teilen. Der Strömungsbereich "B" bewegt sich dann radial nach außen über den dritten Dammabschnitt 130 und verbindet sich mit dem Strömungsbereich "A", der in einen Ablasshohlraum 132 hinein führt. Allerdings bewegt sich der Strömungsbereich "C" radial nach innen über und durch den zweiten Satz von Rillen 124, über den zweiten Dammabschnitt 128, hinter den inneren Durchmesser des ringförmigen Elements 116 zu dem Niederdruckbereich 114. Der Strömungsbereich "C" ist typischerweise größer als der Strömungsbereich "B", da der zweite Satz von Rillen 124 Fluid nach innen pumpt. Demzufolge führen alle Strömungsbereiche "A"-"C" von dem Hochdruckbereich 112 zu dem Niederdruckbereich 114 über unterschiedliche, obwohl etwas überlappende, Bahnen bzw. Wege.
Fig. 5 stellt auch eine typische axiale Druckverteilung dar, die auf den Stator 106 während eines Betriebs einwirkt. An dem äußeren Durchmesser des Stators 106 (die Oberseite, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist) Wirkt Psystem auf die Stator-Dichtungsfläche 120 ein. Nach innen-unten der Stator-Dichtungsfläche 120 bewegend erhöht sich der Druck, der auf die Stator-Dichtungsfläche einwirkt, auf einen ersten P1maximum, angeordnet an ungefähr dem Punkt, wo der erste Satz von Rillen 122 endet und der erste Dammabschnitt 126 beginnt. Der Druck über dem ersten Dammabschnitt 126 fällt auf Pdischarge über die Ablasshohlräume 132 ab. Der Druck über den zweiten Dammabschnitt 128 erhöht sich auf entweder Psystem, falls die Fluidzuführkanäle 140 mit einer nicht beschränkenden Größe umfaßt, oder auf einen Prozentsatz von Psystem, falls die Zuführkanäle nicht beschränkend sind. Mit einer Bewegung weiter nach innen erhöht sich der Druck auf die Stator-Dichtungsfläche 120 wieder auf ein zweites P2maximum bei ungefähr dem Punkt, wo der zweite Satz von Rillen 124 endet und der zweite Dammabschnitt 128 beginnt. Der Druck fällt dann auf Pdischarge über den zweiten Dammabschnitt 128 ab. Demzufolge wirken zwei ringförmige Bereiche mit hohem Druck auf die Stator-Dichtungsfläche 120 ein, die Druckmitten besitzt, F1net und F2net anordnend. Es sollte verständlich werden, dass die zwei Pmaximums und Fnets nicht notwendigerweise gleich sind.
Eine sich variierende Druckverteilung wirkt auch auf die geläppte, statische Dichtungsfläche 142 des Stators 106. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, wirkt, von einer Phase an dem äußeren Durchmesser des Stators 106, Psystem auf die geläppte, statische Dichtungsfläche 142 nach innen hinter den Zuführkanal 140 zu dem Vorsprung 154, der sich von dem Statorhalteteil 146 der Statorhalteanordnung 108 aus erstreckt, wie nachfolgend beschrieben werden wird. Der Druck fällt über den Vorsprung 154 herunter auf Pdischarge ab, der auf der geläppten, statischen Dichtungsfläche 142 aktiv ist, herunter zu dem inneren Durchmesser des ringförmigen Elements 116.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, umfasst die Statorhalteanordnung 108 einen Statorträger 144, der fest an dem Gehäuse 102 befestigt ist und einen Statorhalter 146, der gleitend an dem Statorträger gesichert ist. Sowohl der Statorträger 144 als auch der Statorhalter 146 sind in der Form ringförmig. Mindestens ein Stift 145 kann vorgesehen sein, der sich von dem Statorträger 144 so erstreckt, um gleitbar in einem halbkreisförmigen Schlitz an dem äußeren Durchmesser des Statorhalters 146 aufgenommen zu werden, um zu verhindern, dass sich der Statorhalter (und demzufolge der Stator 106) dreht. (Siehe Fig. 19) Vorzugsweise ist eine Feder 148 zwischen dem Statorträger 144 und dem Statorhalter 146 vorgesehen, um den Statorhalter (und demzufolge den Stator 106) zu dem Rotor 104 hin zu drücken. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, kann die Feder 148 eine Wellenfeder aufweisen. Alternativ kann, wie in Fig. 19 dargestellt ist, die Feder 148' eine Schraubenfeder sein. Die Feder 148 oder 148' bringt eine Kraft auf den Stator 106 auf, entgegengesetzt zu den Druckkräften auf der Stator-Dichtungsfläche 120 wirkend, um dabei zu helfen, die geeignete Kraftbalance zu erzeugen, um zu ermöglichen, dass sich der erwünschte, dünne Film über die Stator-Dichtungsfläche bildet. Die Feder 148 oder 148' ermöglicht auch, dass sich der Stator 106 zusammen mit dem Rotor 104 bewegt, wenn sich der Rotor einen ungewöhnlich großen Weg aus irgendeinem Grund bewegt, um dadurch eine Beschädigung der Dichtungsanordnung 100 zu verhindern. Eine Mehrzahl von radialen Federsegmenten 150 ist zwischen dem Statorhalter 146 und dem Statorträger 144 angeordnet, um als Vibrationsdämpfer zwischen diesen zwei Elementen zu wirken.
Vorzugsweise besitzt, wie am besten in Fig. 5 dargestellt ist, der Stator eine geläppte, statische Dichtungsfläche 142 gegenüberliegend der Stator-Dichtungsfläche 120, und der Statorhalter 146 besitzt eine erste Fläche 152 gegenüberliegend der geläppten, statischen Dichtungsfläche 142. Mindestens ein Vorsprung 154 erstreckt sich von der ersten Fläche 152 des Statorhalters 146 aus. Vorzugsweise ist der Vorsprung 154 ein ringförmiger Steg, der eine geläppte Oberfläche 156 besitzt, die sich um die erste Fläche 152 herum erstreckt und die geläppte Stator-Dichtungsfläche 142 berührt. Die geläppte Fläche 156 und die geläppte Stator-Dichtungsfläche 142 bilden eine geläppte, statische Dichtungsfläche dazwischen, durch die eine vernachlässigbare Leckage auftritt, gerade wenn der Stator durch den Rotor 104 abgelenkt wird. Die geläppten Flächen 156 und 142 sollten glatt innerhalb von ungefähr 0,000254 mm (0,00001 inch) sein und können auch eine tribologische Beschichtung umfassen.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, umfasst die Statorhalteranordnung 108 eine sekundäre Dichtung 160 zum Verhindern, dass eine Fluidleckage von dem Hochdruckbereich 112 zu dem Niederdruckbereich 114 auftritt. Da dort keine Dichtung angrenzend an die radialen Federsegmente 150, angeordnet um den Umfang des Statorhalters 146 herum, vorhanden ist, wird der Bereich 162 zwischen dem Statorhalter 146 und dem Statorträger 144, der die Feder 148 hält, Psystem unterworfen. Es ist wünschenswert zu ermöglichen, dass der Systemdruck auf beide Seiten des sich radiale erstreckenden Abschnitts des Statorhalters 146 einwirken kann, so dass er im wesentlichen kraftmäßig in der radialen Richtung ausbalanciert ist, um dadurch die Federkraft von der Feder 148 zu verringern, die erforderlich ist, um den Statorhalter und den Stator 146 zu dem Rotor 104 hin zu drücken. Eine sekundäre Dichtung 160 ist demzufolge erforderlich, um zu verhindern, dass das Hochdruckfluid in dem Bereich 162 leckagemäßig zu dem Niederdruckbereich 114 austritt. Die sekundäre Dichtung 160 muss in der Lage sein, ein thermisches Anwachsen bzw. Vergrößern des Statorträgers 144 aufzunehmen und muss in der Lage sein, eine axiale Bewegung des Dichtringhalters 146 aufzunehmen. Die sekundäre Dichtung 160 muss demzufolge in der Lage sein, eine gewisse Bewegung mit sowohl der radialen als auch der axialen Richtung zu handhaben, während eine geringe Widerstandskraft entwickelt wird, so dass die dynamische Führung der Stator-Dichtungsfläche 120 auf dem Rotor 104 nicht nachteilig beeinflusst wird.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist die sekundäre Dichtung 160, vorzugsweise ein Kolbenring 164, koaxial zu der Mittelachse und zwischen dem Statorhalter 146 und dem Statorträger 144 angeordnet. Der Kolbenring 164 ist innerhalb eines ringförmigen Hohlraums 166 innerhalb des Statorhalters 146 angeordnet.
Genauer gesagt ist, wie in den Fig. 6-8 dargestellt ist, der Kolbenring 164 ein Federkolbenring, der mindestens einen Schlitz 168 besitzt, der sich teilweise durch den Ring in der Richtung der Mittelachse 118 erstreckt. Sätze von drei Schlitzen 166 können um den Kolbenring 164 herum vorgesehen sein, um eine umfangsmäßige Flexibilität zu erzielen, die ein thermisches Vergrößern des Statorhalters 146 aufnimmt. Der Kolbenring 164 ist vorzugsweise aus 718 Inconel hergestellt.
Um kleine Widerstandskräfte sicherzustellen, kann der Kolbenring 164 einen axialen Damm 170 und einen radialen Damm 172 umfassen. Der axiale Damm 170 erstreckt sich axial von dem Kolbenring 164 aus, um die Auslaufseite des Hohlraums 166 zu berühren. Der axiale Damm 170 ermöglicht so, dass unter Druck gesetztes Fluid auf die Auslaufseite des Kolbenrings 164 einwirkt, um die axiale Kraft, die auf den Kolbenring einwirkt, auszubalancieren. Der radiale Damm 172 erstreckt sich radial von dem Kolbenring 164 aus, um den Statorhalter 146 an der Ausströmseite des Kolbenrings zu berühren. Der radiale Damm 172 ermöglicht so, dass unter Druck gesetztes Fluid auf die radial innere Seite des Kolbenrings 164 einwirkt, was die radiale Kraft, die auf den Kolbenring einwirkt, ausbalanciert. Die Dimensionen beider Dämme 170 und 172 sollten so sein, und zwar für die bestimmte Anwendung, dass eine Leckage verhindert wird, während noch ermöglicht wird, dass der Stator 106 zufriedenstellend eine dynamische Führung des Rotors 104 sicherstellt.
Während die Anmelder bestimmt haben, dass ein Federkolbenring gut als eine sekundäre Dichtung 160 wirkt, sind andere, sekundäre Dichtungsoptionen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung möglich. Zum Beispiel kann der Kolbenring 164 einen Kolbenring vom Expansions-Typ aufweisen, der einen einzelnen Schlitz besitzt, der sich den gesamten Weg durch den Ring hindurch erstreckt.
Alternativ kann, wie in Fig. 9 dargestellt ist, die sekundäre Dichtung 160 eine Bürstendichtung 174 aufweisen, die eine Mehrzahl von im wesentlichen sich radiale erstreckenden dünnen Drahtborsten 176, aufweist, die sandwichartig zwischen den zwei ringförmigen Metallplatten 178 und 180 zwischengefügt sind. Die Borsten 176 sind leicht von der radialen Richtung versetzt und besitzen eine geeignete Steifigkeit, so dass die Fähigkeit des Stators 106, dynamisch den Rotor 104 zu führen, nicht nachteilig beeinflusst wird. Wie in Fig. 10 dargestellt ist, kann eine Faltenbalgdichtung 182 auch als die sekundäre Dichtung 160 eingesetzt werden. Die Faltenbalgdichtung 182 umfasst einen Faltenbalg 184 koaxial zu der Mittelachse 118 und zwischen dem Statorhalter 146 und dem Statorträger 144 angeordnet. Die Faltenbälge 184 sind aus einer Reihe von dünnwandigen Windungen hergestellt, die miteinander verbunden sind, gewöhnlich durch Verschweißen. Da die Faltenbälge 184 selbst in der axialen Richtung flexibel sind, kann die Feder 148 von der Statorhalteanordnung 108 weggelassen werden. Die Faltenbälge 184 sollten so ausgelegt sein, dass sie eine Federkonstante haben, die niedrig genug ist, um eine geeignete, dynamische Führung des Stators 106 zu ermöglichen. Eine Reihe von radialen Federsegmenten 186 ist zwischen dem äußeren Rand der Faltenbälge 184 und dem Statorträger 144 angeordnet, um als Vibrationsdämpfer zu wirken.
Die Fig. 11-15 stellen schematisch dar, wie der Stator die Bewegung des Rotors während des Betriebs führt. Es sollte verständlich werden, dass die relativen Dimensionen der Bewegungen des Rotors 104 und des Stators 106 in den Fig. 11-15 übertrieben zu Zwecken der Darstellung gezeigt sind. Es sollte auch verständlich werden, dass sich der Rotor 104 und der Stator 106 leicht biegen, wenn sie sich deformieren, wobei sie in der radialen Richtung in einem gewissen Umfang gekrümmt werden.
Die Fig. 11 stellt die Rotor-Dichtungsfläche 105 und die Stator-Dichtungsfläche 120 in einer parallelen Orientierung dar. In dieser Orientierung erfährt der Bereich des Stators 106, dargestellt in Fig. 11, eine Netto-Bewegung von Null. (Es kann nützlich sein, nochmals auf Fig. 5 Bezug zu nehmen, um an die Drücke und die Kräfte zu erinnern, die auf den Stator 106 einwirken.) Wenn sich der Rotor 104 dreht, pumpen die Rillen 122 und 124 in dem Stator 106 Fluid nach innen, um den Film zwischen der Rotor-Dichtungsfläche 105 und der Stator-Dichtungsfläche 120 zu bilden. Es sollte verständlich sein, dass gerade dann, wenn sich der Rotor 104 nicht dreht, eine kleinere Menge an Fluid zwischen dem Rotor 104 und dem Stator 106 fließt, was eine Flächendichtung bildet und einen Kontakt ausschließt. Für den Stator mit 243,84 mm (9,6 inch) beträgt die erwartete Filmdicke ungefähr 0,000572 mm (0,000225 inch) für einen Psystem von 1,723·10&sup6; Pa (250 Psia) mit einer Temperatur von 555,6ºC (1000º F), und die Filmsteifigkeit wurde ungefähr 1401,57 N/mm (8 lbf/uinch).
Wenn die Rotorfläche 105 damit beginnt, negativ konisch zu werden, wie dies in Fig. 12 dargestellt ist, wird sich der Druck, erzeugt durch den oberen Satz der Rillen, erhöhen, und der Druck, erzeugt durch den unteren Satz von Rillen, wird sich erniedrigen. Demzufolge ist eine zusätzliche Kraft von links nach rechts (wie in Fig. 12 dargestellt ist), auf dem radial äußeren Abschnitt des Stators 106 aktiv und eine zusätzliche Kraft von rechts nach links ist auf dem radial inneren Abschnitt des Stators aktiv. Diese verdrillenden Kräfte sind im wesentlichen innerhalb von 0,127-0,254 mm (5-10 mils) an den Mitten des Drucks der ersten und der zweiten Druckverteilung angeordnet und sie erzeugen ein Netto- Biegemoment in Uhrzeigerrichtung, das dazu tendiert, den Rotor zu der Position, die in Fig. 13 dargestellt ist, zu verdrillen. Es sollte verständlich werden, dass die Positionen des Rotors 104 und des Stators 106 übertrieben dargestellt sind, und dass, unter einem normalen Betrieb, der äußere Durchmesser des Stators den Statorhalter 146 nicht berühren sollte.
Da zwei separate Sätze von Rillen vorgesehen sind, die zwei separate Kräfte, zentriert im wesentlichen an den Mitten des Drucks der zwei separaten Druckverteilungen, vorgesehen sind, kann das verdrillende Moment, das erzeugt ist, bis zu 100mal größer als dasjenige sein, das durch einen ähnlich dimensionierten Stator erzeugt ist, der nur einen einzelnen Satz von Rillen besitzt. Dies kommt daher, dass, in einem Design mit einer einzelnen Rille, nur eine Druckverteilung an der Stator-Dichtungsfläche erzeugt wird. Irgendeine Änderung in der Rotorposition erzeugt eine Kraft, die im wesentlichen (innerhalb 0,127- 0,254 mm (5-10 mils)) an der Druckmitte liegt. Deshalb würde ein Momentenarm mit einem Design einer einzelnen Rille in dem Bereich von 0,127-0,254 mm (0,05-0,010 inch) im Gegensatz bei ungefähr 12,7 mm (0,50 inch), geliefert durch einen Stator mit 243,84 mm (9,6 inch), der vorstehend diskutiert ist, vorhanden sein.
Ähnlich werden, wenn ein Abschnitt der Rotorfläche 105 positiv konisch ist, wie dies in Fig. 14 dargestellt ist, verdrillende Kräfte und ein verdrillendes Moment erzeugt werden, um den Stator zu der Position zu bewegen, die in Fig. 15 dargestellt ist. Wenn die Rotorfläche 105 zu der Position der Fig. 11 von den Positionen der Fig. 13 und 15 zurückkehrt, wirken Kräfte und Momente entgegengesetzt zu denjenigen, die vorstehend beschrieben sind, auf den Stator 106 ein, um ihn zu der Position der Fig. 5 zurückzuführen. Es sollte verständlich werden, dass die Positionen der Rotor-Dichtungsfläche 105 und des Stators 106 in den Fig. 12 und 14 nur zu Darstellungszwecken verwendet werden und dass die Bewegung dieser Elemente von den Positionen der Fig. 11 zu und von den Positionen der Fig. 13 und 15 weg im wesentlichen kontinuierlich vorgenommen werden, im Gegensatz dazu, dass sie in zwei diskreten Schritten bzw. Abstufungen vorliegen.
Eine zweite Ausführungsform des Stators 206 ist in den Fig. 16-18 dargestellt. Diese Ausführungsform des Stators 206 ist identisch zu der ersten Ausführungsform des Stators 106, mit Ausnahme von zwei Änderungen. Erstens sind, wie in Fig. 14 dargestellt ist, die ersten und die zweiten Sätze von Rillen 222 und 224 sich radial erstreckende Rillen, im Gegensatz zu sich spiralförmig erstreckenden Rillen. Ein Design einer radialen Rille kann gegenüber einem Design einer spiralförmigen Rille erwünscht sein, falls eine bidirektionale Drehung des Rotors erforderlich ist. Ein Nachteil des Designs mit radialer Rille ist derjenige, dass es eine geringere Filmsteifigkeit als ein Design mit spiralförmiger Rille liefert. Die Anmelder sehen vor, dass ein radial mit Rillen versehener Stator mit einem Außendurchmesser von 243,84 mm (9,6 ich) 24 Rillen in jedem Satz von Rillen umfassen würde. Es kann sein, dass die radialen Rillen geringfügig tiefer (0,00127-0,00254 mm (0,00005 -0,0001 inch)) gemacht werden müssen als spiralförmige Rillen an demselben Stator für einen optimalen Betrieb.
Ein zweiter Unterschied zwischen der zweiten Ausführungsform des Stators 206 und der ersten Ausführungsform ist in Fig. 18 dargestellt. In der zweiten Ausführungsform erstrecken sich die Zuführkanäle 240 radial zu einem Außendurchmesser des ringförmigen Elements 116, um mit dem Hochdruckbereich 112 zu kommunizieren, im Gegensatz dazu, dass sie sich gerade durch das ringförmige Element erstrecken. Dieses Merkmal ist optional und kann auch in Verbindung mit dem ersten Stator 106 verwendet werden. Das Design des Zuführkanals der ersten Ausführungsform kann verwendet werden, wenn eine Kühlung des ringförmigen Elements 116 mit einer Fluidströmung entlang der geläppten, statischen Dichtungsfläche 142 erwünscht ist. Falls eine solche Kühlung kein Problem darstellt, kann das Design der zweiten Ausführungsform verwendet werden.
Fig. 19 stellt eine alternative Dichtungsanordnung 300 dar, in der der Rotor 304 ein separates Element, befestigt an einem Drehteil der Maschine, ist, im Gegensatz dazu, dass er ein integrales Element der Maschine selbst ist, wie in Fig. 1. Die Vorrichtung der Fig. 19 wird an einer sich langsamer drehenden Stelle als die Vorrichtung der Fig. 1 verwendet. Die Verwendung eines solchen separaten Rotors 304 liefert, dort, wo es möglich ist, vorteilhafterweise eine bessere Kontrolle der Konizität und der Ablenkung des Rotors.

Claims

1. Drehdichtungsbaugruppe (100, 300), die das Austreten eines Fluids aus einem Bereich (112) hohen Drucks in einem Gehäuse (102) in einen Bereich (114) vergleichsweise niedrigeren Drucks verhindert, wobei die Baugruppe umfasst:

ein erstes Element, das in dem Gehäuse (102) angebracht ist und eine Mittelachse (118) sowie eine ringförmige Dichtungsfläche aufweist, die sich in einer Richtung im Wesentlichen radial zu der Mittelachse (118) erstreckt;

ein zweites Element, das sich in dem Gehäuse (102) befindet und eine ringförmige Dichtungsfläche aufweist, die sich in der Richtung im Wesentlichen radial zu der Mittelachse (118) erstreckt und der Dichtungsfläche des ersten Elementes gegenüberliegt, wobei die Dichtungsfläche des zweiten Elementes eine erste Gruppe Rillen (122) und eine zweite Gruppe Rillen (124) aufweist, die kreisförmig darum herum angeordnet sind, wobei die zweite Gruppe Rillen (124) radial nach innen von der ersten Gruppe Rillen (122) beanstandet ist und das erste oder das zweite Element ein Rotor (104, 304) ist, der sich um die Mittelachse (118) drehen kann, und das andere Element ein Stator (106) ist; und

eine Statoraufnahmebaugruppe (108), die den Stator (106) in dem Gehäuse (102) trägt, wobei der Rotor (104, 304) um die Mittelachse (118) gedreht werden kann und die Statoraufnahmebaugruppe (108) den Stator (106) gegen Drehung sichert und die Dichtungsfläche (120) des Stators auf die Dichtungsfläche (105) des Rotors zu drückt, wobei unter Druck stehendes Fluid zwischen den Dichtungsflächen und in der ersten sowie der zweiten Gruppe Rillen strömt, so dass eine Gasfilmdichtung zwischen den Dichtungsflächen ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Rillen der ersten Gruppe Rillen (122) und der zweiten Gruppe Rillen (124) in der gleichen Richtung spiralförmig um die Mittelachse (118) herum verläuft, so dass die erste Gruppe Rillen (122) und die zweite Gruppe Rillen (124) bei der Dre

hung des Rotors (104, 304) in Bezug auf den Stator (106) Fluid in der gleichen radialen Richtung pumpen.

2. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 1, wobei die Dichtungsfläche des zweiten Elementes des Weiteren einen ersten Dammabschnitt (126) enthält, der sich radial innerhalb der ersten Gruppe Rillen (122, 222) befindet, sowie einen zweiten Dammabschnitt (128), der sich radial innerhalb der zweiten Gruppe Rillen (124, 224) befindet.

3. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dichtungsfläche des zweiten Elementes einen Fluidablass enthält, der sich radial innerhalb der ersten Gruppe Rillen (122, 222) befindet, um Fluid aus dem Raum zwischen den Dichtungsflächen abzulassen.

4. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 3, wobei der Fluidablass eine Vielzahl bogenförmiger Hohlräume (138) enthält, die in der Dichtungsfläche des zweiten Elementes ausgebildet sind, und das zweite Element des Weiteren eine Vielzahl von Ablassleitungen (136) enthält, die durch das zweite Element hindurch ausgebildet sind, wobei jeder Hohlraum mit dem Niedrigdruckbereich (114) über eine entsprechende der Ablassleitungen (136) in Verbindung steht.

5. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 1, wobei die Dichtungsfläche des zweiten Elementes des Weiteren eine Fluidzufuhr enthält, die sich radial innerhalb der ersten Gruppe Rillen (122, 222) befindet, um dem Raum zwischen den Dichtungsflächen Fluid zuzuführen.

6. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 5, wobei die Fluidzufuhr eine Vielzahl bogenförmiger Hohlräume (138) enthält, die in der Dichtungsfläche des zweiten Elementes ausgebildet sind und das zweite Element des Weiteren eine Vielzahl von Zuführleitungen (140, 240) enthält, die durch das zweite Element hindurch ausgebildet sind, wobei jeder Hohlraum (138) mit dem Hochdruckbereich (112) über eine entsprechende der Zuführleitungen (140, 240) in Verbindung steht.

7. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 1, wobei die Dichtungsfläche des zweiten Elementes des Weiteren einen Fluidablass enthält, der sich radial innerhalb der ersten Gruppe Rillen (122, 222) befindet, um Fluid aus dem Raum zwischen den Dichtungsflächen abzulassen, eine Fluidzufuhr, die sich radial innerhalb des Fluidablasses befindet, um dem Raum zwischen den Dichtungsflächen Fluid zuzuführen, und einen Dammabschnitt (130), der sich an der Dichtungsfläche des zweiten Elementes zwischen dem Fluidablass und der Fluidzufuhr befindet.

8. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 1, wobei die Statoraufnahmebaugruppe (108) einen Statorträger (144) enthält, der fest an dem Gehäuse (102) angebracht ist, sowie eine Statoraufnahme (146), die verschiebbar an dem Statorträger (144) angebracht ist, wobei der Statorträger (144) in der Richtung der Mittelachse (118) verschoben werden kann.

9. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 8, wobei die Statoraufnahmebaugruppe (108) eine Feder (148, 148') enthält, die zwischen dem Statorträger (144) und der Statoraufnahme (146) angeordnet ist, um die Dichtungsfläche (120) des Stators auf die Dichtungsfläche (105) des Rotors zu zu drücken.

10. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 9, wobei die Feder eine Schraubenfeder (148') ist.

11. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 9, wobei die Feder eine Wellenfeder (148) ist.

12. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 8, wobei der Stator (106) eine geläppte statische Dichtungsfläche (142) gegenüber der Dichtungsfläche (120) des Stators hat und die Statoraufnahme (146) eine erste Fläche hat, die der geläppten statischen Dichtungsfläche (142) gegenüberliegt, sowie wenigstens einen Vorsprung (154), der sich von der ersten Fläche (152) aus erstreckt und mit der geläppten statischen Dichtungsfläche (142) in Kontakt kommt und eine Dichtung mit geläppter Fläche dazwischen bildet.

13. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 12, wobei der Vorsprung (154) ein ringförmiger Steg ist.

14. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 13, wobei der ringförmige Steg eine geläppte Fläche (156) aufweist, die mit dem Stator (106) in Kontakt kommt.

15. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 8, wobei die Statoraufnahmebaugruppe (108) eine Sekundärdichtung (160) enthält, die Austreten aus dem Hochdruckbereich (112) in den Niederdruckbereich (114) verhindert.

16. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 15, wobei die Sekundärdichtung (160) einen Kolbenring (164) enthält, der koaxial zu der Mittelachse (118) ist und sich zwischen der Statoraufnahme (146) und dem Statorträger (144) befindet.

17. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 16, wobei der Kolbenring (164) wenigstens einen Schlitz (168) enthält, der in der radialen Richtung teilweise durch ihn hindurch verläuft.

18. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 17, wobei der Kolbenring (164) wenigstens eine Gruppe Schlitze (168) enthält, die in der radialen Richtung teilweise durch ihn hindurch verlaufen.

19. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 17, wobei der Kolbenring (164) eine Vielzahl von Gruppen Schlitze (164) enthält, die in der radialen Richtung teilweise durch ihn hindurch verlaufen.

20. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 17, wobei der Kolbenring (164) einen einzelnen Schlitz (168) enthält, der in der radialen Richtung vollständig durch ihn hindurch verläuft.

21. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 15, wobei die Sekundärdichtung (160) eine Bürstendichtung (174) enthält, die koaxial zur Mittelachse (118) ist und sich zwischen der Statoraufnahme (164) und dem Statorträger (144) befindet.

22. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 21, wobei die Bürstendichtung (174) eine Vielzahl von Borsten (176) enthält, die zwischen zwei ringförmigen Elementen (178, 180) angebracht sind, wobei sich die Borsten in einer zur radialen Richtung versetzten Richtung erstrecken.

23. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 15, wobei die Sekundärdichtung (160) einen Balg (184) enthält, der koaxial zur Mittelachse (118) ist und sich zwischen der Statoraufnahme (146) und dem Statorträger (144) befindet.

24. Stator (106) zum Einsatz in einer Drehdichtungsbaugruppe, wobei der Stator (106) umfasst:

ein ringförmiges Element (116), das eine Mittelachse (118) aufweist;

eine Dichtungsfläche (120), die sich an dem ringförmigen Element (116) befindet und sich in einer Richtung im Wesentlichen radial zu der Mittelachse (118) erstreckt;

eine erste Gruppe Rillen (122), die kreisförmig um die Dichtungsfläche (120) herum angeordnet sind; sowie eine zweite Gruppe Rillen (124), die kreisförmig um die Dichtungsfläche (120) herum angeordnet und von der ersten Gruppe Rillen (122) radial nach innen beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Rillen in der ersten Gruppe Rillen (122) und der zweiten Gruppe Rillen (124) in der gleichen Richtung spiralförmig um die Mittelachse (118) herum verläuft, so dass die erste Gruppe Rillen (122) und die zweite Gruppe Rillen (124) Fluid in der gleichen radialen Richtung pumpen, wenn die Dichtungsfläche (120) einer Drehfläche zugewandt ist.

25. Stator (106, 206) nach Anspruch 24, der des Weiteren einen ersten Dammabschnitt (126) enthält, der sich an der Dichtungsfläche (120) radial innerhalb der ersten Gruppe Rillen (122, 222) befindet, sowie einen zweiten Dammabschnitt (128), der sich an der Dichtungsfläche (120) radial innerhalb der zweiten Gruppe Rillen (124, 224) befindet.

26. Stator (106, 206) nach Anspruch 25, der des Weiteren einen Fluidablass und eine Fluidzufuhr enthält, die mit der Dichtungsfläche (120) radial innerhalb der ersten Gruppe Rillen (122, 222) in Verbindung stehen.

27. Stator (106, 206) nach Anspruch 26, wobei der Fluidablass eine Vielzahl bogenförmiger Hohlräume (132) enthält, die in der Dichtungsfläche (120) des Stators ausgebildet sind, und der Stator (106, 206) des Weiteren eine Vielzahl von Ablassleitungen (136) enthält, wobei jede Ablassleitung (136) von einem entsprechenden Hohlraum (132) aus durch das ringförmige Element (116) hindurch verläuft.

28. Stator (106, 206) nach Anspruch 26, wobei die Fluidzufuhr eine Vielzahl bogenförmiger Hohlräume (138) enthält, die in der Dichtungsfläche (120) des Stators ausgebildet sind, und der Stator (106, 206) des Weiteren eine Vielzahl von Zuführleitungen (140, 240) enthält, wobei jede Zuführleitung (140, 240) von einem entsprechenden Hohlraum (138) aus durch das ringförmige Element (116) hindurch verläuft.

29. Stator (106, 206) nach Anspruch 24, wobei das ringförmige Element (116) eine radial innenliegende Fläche, eine radial außenliegende Fläche, wenigstens einen Durchlass (240), der sich von der radial außenliegenden Fläche durch das ringförmige Element (116) hindurch zu der Dichtungsfläche (120) erstreckt, und wenigstens einen Durchlass (136) enthält, der sich von der Dichtungsfläche (120) durch das ringförmige Element (116) hindurch zu der radial innenliegenden Fläche erstreckt.

30. Stator (106, 206) nach Anspruch 24, wobei das ringförmige Element (116) eine vorragende Fläche (142) gegenüber der Dichtungsfläche (120), eine radial innenliegende Fläche, wenigstens einen Durchlass (138), der sich von der vorragenden Fläche (142) durch das ringförmige Element (116) hindurch zu der Dichtungsfläche (120) erstreckt, und wenigstens einen Durchlass (136) enthält, der sich von der Dichtungsfläche (120) durch das ringförmige Element (116) hindurch zu der radial innenliegenden Fläche erstreckt.

31. Dichtungsbaugruppe (100, 300) nach Anspruch 1, wobei die Dichtungsfläche des ersten Elementes während der Drehung des Rotors (104, 304) örtlich begrenzt verformt werden kann;

das zweite Element flexibel ist;

die erste Gruppe Rillen (122, 222) einen ersten ringförmigen Hochdruckbereich schafft, der auf die Dichtungsfläche des zweiten Elementes wirkt; und

die zweite Gruppe Rillen (124, 224) einen zweiten ringförmigen Hochdruckbereich schafft, der radial innerhalb des ersten Hochdruckbereiches auf die Dichtungsfläche des zweiten Elementes wirkt,

so dass Verformung des Rotors (104, 304) entlang eines bestimmten Radius die Druckverteilung in dem ersten und dem zweiten Hochdruckbereich entlang des bestimmten Radius ändert, und damit den Stator (106, 206) entsprechend verformt, so dass die Dichtungsfläche (120) des Stators an jedem Punkt entlang des bestimmten Radius im Wesentlichen parallel zu der Dichtungsfläche (105) des Rotors bleibt.

32. Dichtungsbaugruppe nach Anspruch 31, wobei der erste Hochdruckbereich einen Druckmittelpunkt hat, der sich auf einem ersten Radius von der Mittelachse aus befindet, und der zweite Hochdruckbereich einen Druckmittelpunkt hat, der sich auf einem zweiten Radius von der Mittelachse aus befindet, und Verformung des Rotors (104, 304) entlang des bestimmten Radius ein Rückstellmoment erzeugt, durch das die Dichtungsfläche (120) des Stators an jedem Punkt entlang des bestimmten Radius im Wesentlichen parallel zur Dichtungsfläche (105) des Rotors bleibt, wobei das Rückstellmoment einen Kraftarm hat, der im Wesentlichen der Differenz zwischen dem ersten Radius und dem zweiten Radius entspricht.

33. Dichtungsbaugruppe nach Anspruch 31, wobei ein erster Dammabschnitt (126) kreisförmig um die Dichtungsfläche des zweiten Elementes herum angeordnet ist und ein zweiter Dammabschnitt (128) von der ersten Gruppe Rillen (122, 222) radial nach innen beabstandet kreisförmig um die Dichtungsfläche des zweiten Elementes herum angeordnet ist.