DE69618355T2

DE69618355T2 - Wellendichtung

Info

Publication number: DE69618355T2
Application number: DE69618355T
Authority: DE
Inventors: Jacques Auber; Emile Rabuteau
Original assignee: Dresser Rand Co
Current assignee: Dresser Rand Co
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: GB9508083D0; EP0821774A1; AU5341496A; EP0821774B1; ATE211530T1; GB2300028B; WO1996033358A1; US6131913A; JPH11514423A; CA2218516A1; CN1189206A; JP4070808B2; CA2218516C; CN1115500C; KR19990007891A; DE69618355D1; GB2300028A; UA60294C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung für Drehwellen in Turbomaschinen, insbesondere aber nicht ausschließlich berührungsfreie Wellendichtungen.
Dieser Typ von Wellendichtung wird häufig bei Maschinenanlagen zum Pumpen von Gas (Stickstoff, Argon, Wasserstoff, Erdgas, Luft usw.) verwendet, wo die Ausbreitung von Gas entlang der Welle verhindert werden muss. Aufgrund der Hochdruck- Hochgeschwindigkeits-Maschinenanlage, die normalerweise verwendet wird, können die Wellendichtungen Dichtungen vom berührungsfreien Typ sein, um eine Wärmeentwicklung in den Dichtungen und den Verschleiß der Dichtteile zu reduzieren.
Ein berührungsfreier Betrieb vermeidet diese unerwünschte Flächenberührung, wenn sich die Welle oberhalb einer gewissen Minimalgeschwindigkeit dreht, die häufig als Abhebegeschwindigkeit bezeichnet wird.
Berührungsfreie Wellendichtungen liefern gegenüber Dichtungen, wo die Dichtflächen einander berühren, Vorteile, was auf eine Reduktion im Verschleiß und die geringere Wärmeerzeugung zurückzuführen ist. Artikel mit dem Titel "Fundamentals of Spiral Groove Non-contacting Face Seals" von Gabriel, Ralph P. (Journal of American Society of Lubrication Engineers, Band 35, 7, Seiten 367-375) und "Improved Performance of Film- Riding Gas Seals Through Enhancement of Hydrodynamic Effects" von Sedy, Joseph (Transactions of the American Society of Lubrication Engineers, Band 23, 1, Seiten 35-44) beschreiben eine berührungsfreie Dichtungstechnologie und Konstruktionskriterien und werden hierin durch Bezug aufgenommen.
Wie bei gewöhnlichen mechanischen Dichtungen besteht eine berührungsfreie Flächendichtung aus zwei Dichtringen, die jeweils mit einer sehr genau endbearbeiteten Dichtfläche versehen sind.
Diese Flächen sind konisch geformt, senkrecht zur und konzentrisch mit der Drehachse. Beide Ringe sind benachbart zueinander positioniert, wobei sich die Dichtflächen bei Zuständen mit Druckunterschied Null und Drehgeschwindigkeit Null berühren. Einer der Ringe ist normalerweise mittels einer Wellenbuchse an der Drehwelle befestigt, der andere befindet sich in der Dichtungsgehäusestruktur, und man lässt ihn sich axial bewegen. Um eine Axialbewegung des Dichtrings zu ermöglichen und dennoch eine Leckage des abgedichteten Fluids zu verhindern, ist ein Dichtungsteil zwischen dem Ring und dem Gehäuse plaziert. Dieses Dichtungsteil muss eine gewisse Gleitbewegung ermöglichen, während es sich unter Druck befindet, weshalb normalerweise ein hochwertiger O-Ring für diese Betriebsart ausgewählt wird. Dieser O-Ring wird häufig die Sekundärdichtung genannt.
Um einen berührungsfreien Betrieb der Dichtung zu erzielen, wie oben erwähnt, ist eine der zwei sich berührenden Dichtflächen mit flachen Oberflächenvertiefungen versehen, die wirken, um Druckfelder zu erzeugen, die die zwei Dichtflächen auseinanderdrücken. Wenn die Größe der von diesen Druckfeldern resultierenden Kräfte groß genug ist, um die Kräfte zu überwinden, die die Dichtflächen dicht zusammendrücken, trennen sich die Dichtflächen und bilden einen Zwischenraum, was zu einem berührungsfreien Betrieb führt. Wie in den Artikeln in Einzelheit erläutert, auf die oben Bezug genommen wurde, ist die Beschaffenheit der Trennkräfte so, dass ihre Größe mit der Zunahme der Flächentrennung abnimmt. Gegen- oder Schließkräfte hängen andererseits von der Größe des abgedichteten Drucks ab und sind an sich unabhängig von einer Flächentrennung. Sie ergeben sich aus dem abgedichteten Druck und der Federkraft, die auf die Rückseite des axial bewegbaren Dichtrings wirkt. Da die Trenn- oder Öffnungskraft vom Trennabstand zwischen den Dichtflächen abhängt, stellt sich während des Betriebs der Dichtung oder bei Aufprägung eines ausreichenden Druckunterschieds von selbst eine Gleichgewichtstrennung zwischen beiden Oberflächen ein. Dies tritt auf, wenn Schließ- und Öffnungskräfte miteinander im Gleichgewicht stehen und zueinander gleich sind. Die Gleichgewichtstrennung ändert sich beständig im Spaltbereich. Das Ziel besteht darin, die untere Grenze dieses Bereichs über Null vorliegen zu haben. Ein anderes Ziel besteht darin, diesen Bereich so schmal wie möglich zu machen, weil in ihrem oberen Bereich die Trennung zwischen den Flächen zu erhöhter Dichtungsleckage führt. Da berührungsfreie Dichtungen per definitionem mit einem Zwischenraum zwischen den Dichtflächen arbeiten, ist ihre Leckage höher als diejenige einer berührenden Dichtung von ähnlicher Geometrie. Aber zugleich bedeutet die Abwesenheit einer Berührung einen Verschleiß Null auf den Dichtflächen und deshalb eine verhältnismäßig geringe Wärmemenge, die zwischen ihnen erzeugt wird. Es ist diese geringe erzeugte Wärme und Abwesenheit von Verschleiß, die den Einsatz von berührungsfreien Dichtungen bei Hochgeschwindigkeits-Turbomaschinenanlagen ermöglicht, wo das abgedichte Fluid Gas ist. Turbokompressoren werden verwendet, um dieses Fluid zusammenzudrücken, und da Gas eine verhältnismäßig kleine Masse aufweist, arbeiten sie normalerweise mit sehr hohen Geschwindigkeiten und mit einer Anzahl von Kompressionsstufen in Reihenschaltung.
Wie in den Artikeln erläutert, auf die oben Bezug genommen wurde, hängt die Wirksamkeit der Dichtung größtenteils vom sogenannten Balancedurchmesser der Dichtung ab. Dies trifft auch für Berührungsdichtungen zu.
Wenn Druck vom Außendurchmesser der Dichtung her ausgeübt wird, führt eine Reduktion des Balancedurchmessers zu einer größeren Kraft, die die zwei Dichtflächen zusammendrückt, und so zu einem kleineren Spalt zwischen den Flächen. Folglich strömt weniger Gas aus dem System aus.
Bei praktischen Anlagen besteht das Ziel darin, den größten Dichtungsgrad in dem Raum, der zur Verfügung steht, zu erzielen. Beim Erreichen dieses Ziels ist ein entscheidender Faktor die radiale Ausdehnung der Primärdichtung.
Jedoch begrenzt die Winkelgeschwindigkeit des Außendurchmessers der Primärdichtung auch die Wirksamkeit der Dichtung, und die Geschwindigkeit sollte nicht zu hoch sein.
Häufig ist es während der Lebensdauer einer speziellen Anlage wünschenswert, die Arbeitsdrücke zu erhöhen, aber dies ist auf die Größe der Dichtung beschränkt, die in das Dichtungsgehäuse eingepasst werden kann.
Normalerweise wird eine Axialbewegung des Drehdichtrings verhindert, was den Dichtring zwischen einem radialen Flansch einer Innenbuchse, an dem er zur Drehung mit der Welle befestigt ist, und einer axial arretierenden Buchse anordnen lässt, die die Innenbuchse umgibt, die an der Dichtfläche des Dichtrings anliegt.
Es ist vorgeschlagen worden, den Drehdichtring auf seinem Außendurchmesser in Achsenrichtung und Drehrichtung zu arretieren, um Treib- und Zentrierkräfte nach innen zu richten, um die Zugspannung, die in der Dichtung in der US 5,388,843 erzeugt wird, zu verbessern. Dies wird erreicht, indem der Außendurchmesser des Dichtrings an einem Mantelteil befestigt wird, welcher Mantelteil sich von einem radialen Flansch der Innenbuchse in Axialrichtung erstreckt. Eine Streifenanordnung wird verwendet, um den Dichtring am Mantelteil zu befestigen.
Die vorliegende Erfindung sucht eine Wellendichtung bereitzustellen, in der eine größere Dichtwirkung geliefert wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Wellendichtung bereitgestellt, umfassend ein Dichtelement, das neben einem Drehdichtring angebracht ist, der zur Anpassung um die Welle auf einer Innenbuchse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Innern der Buchse radial nach außen in den Dichtring sich erstreckende Überschiebmuffe sowie zur achsrichtungs- und drehfesten Arretierung des Dichtrings auf der Buchse ein in die Überschiebmuffe passendes Arretierelement vorgesehen sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung bereitgestellt, die angeordnet ist, um an eine Wellendichtung zu passen, umfassend einen Dichtring, eine Innenbuchse und ein Arretierelement, bei welcher der Dichtring so angepasst ist, dass er um die Innenbuchse passt, wobei sich eine Überschiebmuffe vom Innern der Wellenbuchse radial nach außen in den Dichtring erstreckt, und das Arretierelement so angeordnet ist, dass es in die Überschiebmuffe passt, um den Dichtring achsrichtungs- und drehfest an der Innenbuchse zu arretieren.
Vorteilhafterweise kann der Durchmesser der Primärdichtflächen erhöht werden, weil der radiale Raum nicht mehr durch die axial arretierende Buchse weggenommen wird, die zuvor verwendet wurde, um den Drehring und/oder den Mantelteil der Innenbuchse axial zu arretieren, der sich außerhalb des Außendurchmessers der Primärdichtung axial erstreckt, von dem Stifte den Drehring treiben und/oder axial arretieren. Weil sich das Arretierelement durch eine axial sich erstreckende Fläche des Drehrings erstreckt, kann weiter die vorliegende Erfindung auf vorwärts- und rückwärts drehende Drehdichtringe angewandt werden. Diese Erfindung kann an einer vorhandenen Wellendichtung nachgerüstet werden.
Typischerweise gibt es eine Mehrzahl von z.B. drei Arretierelementen, die in zugehörige Überschiebmuffen auf der Wellendichtung eingepaßt sind. Weiter können sich die Überschiebmuffe(n) vollständig durch die Innenbuchse erstrecken. In diesem Fall hält ein sich um die Welle erstreckender Toleranzring das Arretierelement in der Überschiebmuffe fest. Vorzugsweise wird die Überschiebmuffe durch den Ring/die Buchse hindurch gebildet, wenn diese Teile aneinander befestigt werden, um ein zuverlässiges Arretieren durch das Arretierelement sicherzustellen.
Vorteilhafterweise sind die Arretierelemente halbmondförmig (halbkreisförmig). Dies liefert eine gleichmäßigere Kraftübertragung, um die Wellendichtung beeinflussende, aus dem Gleichgewicht bringende Kräfte zu reduzieren.
Vorzugsweise umfasst die Buchse einen Flanschteil, der sich radial nach außen erstreckt, aber umfasst keinen Mantelteil, der sich axial von der Außenseite des Flanschteils erstreckt. Dadurch kann eine größere Primärdichtung in dasselbe Gehäuse wie im Stand der Technik eingepaßt werden, ohne dass eine axial arretierende Buchse verwendet wird.
Während einer typischen Betriebszeit wird ein Turbokompressor gestartet, und die Energieversorgungseinheit startet das Drehen der Welle. Im anfänglichen Aufwärmstadium des Betriebs können die Wellengeschwindigkeiten ziemlich klein sein. Typischerweise wird Öl verwendet, um die Welle an ihren zwei Radiallagern und einem Axiallager zu tragen. Das Öl wärmt sich in Ölpumpen auf und nimmt auch Scherungswärme von den Kompressorlagern auf. Das Öl zusammen mit Prozessfluidturbulenz und -kompression wärmt seinerseits den Kompressor auf. Sobald die volle Betriebsgeschwindigkeit erreicht ist, erreicht der Kompressor mit der Zeit eine gewisse erhöhte Gleichgewichtstemperatur. Beim Außerbetriebsetzen hält die Wellendrehung an, und der Kompressor fängt an, sich abzukühlen. In dieser Situation kühlen verschiedene Komponenten des Kompressor mit unterschiedlichen Raten ab, und wichtigerweise zieht sich die Welle mit abnehmender Temperatur mit einer vom Kompressorgehäuse unterschiedlichen Rate zusammen. Diese Sekundärdichtungsanordnungen nach dem Stand der Technik können z.B. in den US- Patent-Nos. 4,768,790; 5,058,905 oder 5,071,141 gefunden werden. Der häufig in der Industrie für dieses Phänomen gebrauchte Begriff ist "Dichtflächenhängenbleiben". Häufig gibt es das nächste Mal, wenn der Kompressor erneut gestartet wird, eine sehr große Leckage von Prozessfluid und häufig widersteht in solchen Fällen die Dichtung allen Versuchen, sie erneut zu dichten. Die Dichtung muss dann mit beträchtlichem Zeitaufwand und Produktionsausfall entfernt und ausgetauscht werden.
Die US 5,370,403 und EP-A-0,519,586 beschreiben Verfahren zum Reduzieren von Dichtflächenhängenbleiben, indem man versucht, eine Bewegung der Sekundärdichtung zu verhindern.
Vorzugsweise wird die vorliegende Erfindung an einer Wellendichtung montiert, in der das Dichtelement koaxial zum Dichtring montiert ist, um eine Primärdichtung zwischen ihren einander gegenüberliegenden Flächen zu bilden, um einen Fluidstrom über die Primärdichtung von einer radialen Hochdruckseite zu einer radialen Niederdruckseite wesentlich zu verhindern, wobei das Dichtelement axial in Richtung auf den Drehring durch eine Vorspanneinrichtung gedrückt wird, die zwischen einer mit dem Dichtelement verbundenen Druckmuffe und einem Dichtungsgehäuse wirkt, wobei eine Sekundärmuffe dazwischen gebildet wird, und zwar durch ein Dichtungsteil, das in einem Kanal in dem Teil auf der radialen Niederdruckseite angeordnet ist.
Indem man das Sekundärdichtungsteil in dem von der Hochdruckquelle radial entfernten Teil bereitstellt, liefert die Primärdichtung rasch eine wirkungsvolle Barriere. Während der Inbetriebsetzung der Dichtung wird weiter das Problem von Dichtflächenhängenbleiben größtenteils reduziert oder sogar beseitigt. Der Erfinder ist der Meinung, dass die Verbesserungen, die, wenn das Sekundärdichtungsteil während der Inbetriebsetzung der Maschine axial gleitet, auf den Reibeingriff des Dichtungsteils mit der Druckmuffe und Gehäuseoberflächen zurückführbar sind, den Balancedurchmesser der Wellendichtung dorthin ändern, wo der Reibeingriff stattfindet. Aufgrund der Tatsache, dass sich das Dichtungsteil in der Niederdruckseite befindet, wird folglich der Balancedurchmesser in Richtung darauf geändert, dass eine Erhöhung der Schließkraft in der Primärdichtung bereitgestellt wird. Normalerweise würde die Reibung zwischen dem Gehäuse und der Druckmuffe entlang dem Gleichgewichts-Balancedurchmesser der Wellendichtung ausgerichtet sein.
Diese Erfindung ist teilweise auf berührungsfreie Dichtungen anwendbar.
Vorzugsweise ist die Druckmuffe ein L-förmiger Teil, der von dem Dichtelement getrennt ist. Die Feder (Vorspanneinrichtung) wirkt zwischen dem Gehäuse und einem Bein der L-förmigen Muffe, parallel zur Rückseite des Dichtelements. Die Sekundärdichtung ist zwischen einer Fläche des Gehäuses und dem anderen Bein der L-förmigen Muffe ausgebildet. Vorzugsweise ist das andere Bein der Muffe radial nach innen vom Gehäuse gerichtet.
Vorteilhafterweise ist eine weitere Dichtung durch einen O-Ring zwischen der Druckmuffe und dem Dichtelement vorgesehen, wobei sich der weitere Dichtungs-O-Ring in einem halben Schwalbenschwanzkanal befindet. Normalerweise ist der weitere O-Ring zwischen der Druckmuffe und dem Dichtelement in einem quadratisch geschnittenen oder Schwalbenschwanzkanal vorgesehen, der in der Muffe vorgesehen ist. Der Schwalbenschwanzkanal wird häufig verwendet, so dass der O-Ring zuverlässig in der Dichtung montiert werden kann. Jedoch wird während einer Außerbetriebsetzung der Dichtung die Dichtung häufig aus dem Kanal herausgeblasen, was auf einen Druckaufbau im Schwalbenschwanzkanal zurückzuführen ist, der nicht anders gelüftet werden kann. Die bevorzugte halbe Schwalbenschwanzform lässt eine begrenzte Bewegung des O-Rings zu, was ermöglicht, dass Druck aus dem Kanal entweicht. Aufgrund der sehr hohen Kosten, die mit dem Auseinandernehmen der Dichtung verbunden ist, ist diese Konstruktion besonders vorteilhaft.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 stellt eine Querschnittsansicht der oberen Hälfte einer berührungsfreien Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 2 stellt einen Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 1 dar;
Fig. 3 stellt eine schematische Darstellung der Primärdichtung der vorliegenden Erfindung mit einem überlagerten Druckprofil dar;
Fig. 4a stellt eine erste alternative Sekundärdichtungsanordnung dar;
Fig. 4b stellt eine zweite alternative Sekundärdichtungsanordnung dar.
Die Erfindung liefert eine Wellendichtung 1 um eine Welle 2. Normalerweise sind zwei Wellendichtungen (nicht dargestellt) zusammen entlang der zweiten (stromabwärts gelegenen) Dichtung vorgesehen, die eine Sicherung für die erste Dichtung auf einer Welle eines Kompressors, einer Turbine oder einer anderen mit Druck beaufschlagten Maschine bildet.
Die Dichtung 1 umfasst einen Drehdichtring 10, der um die Welle 2 radial nach außen von einer Innenbuchse 11 montiert ist, die um die Welle 2 montiert ist.
Die Innenbuchse 11 ist zur Drehung und axialen Arretierung mit der Welle 2 gekoppelt, und der Dichtring 10 ist zur Drehung mit der Innenbuchse 11 mittels einer Mehrzahl von Arretierelementen 12 gekoppelt, von denen sich jedes durch eine zugehörige Überschiebmuffe erstreckt, die durch fluchtende Schlitze in dem Dichtring 10 und der Innenbuchse 11 gebildet ist. Die Innenbuchse 11 umfasst einen radialen Flansch.
Die Arretierelemente 12 verhindern auch eine Axialbewegung des Dichtrings 10. Die Überschiebmuffe wird in der Buchse/dem Ring zur selben Zeit gebildet, um eine zuverlässige Fluchtung der Schlitze in den jeweiligen Teilen sicherzustellen.
Ein Toleranzring 18 erstreckt sich um die Welle 2 zwischen den Arretierelementen 12 und der Welle 2.
Wie in Fig. 2 veranschaulicht, sind die Arretierelemente 12 vorzugsweise halbmondförmig geformt. Dies reduziert die Drehantrieb erzeugenden Kräfte, die die Wellendichtung aus dem Gleichgewicht bringen.
Diese Anordnung des Dichtrings 10 auf der Innenbuchse 11 liefert, verglichen mit früheren bekannten Dichtungen, die dieselbe Dichtwirkung erzeugen, einen kleineren Außendurchmesser an der Primärdichtung. Folglich sind die in der Dichtung 1 erzeugten Beanspruchungen kleiner, das Gewicht der Dichtung ist kleiner, und folglich ist die Leckage der Dichtung 1 vermindert.
Ein in Drehrichtung stationäres Dichtelement 14 ist neben dem Dichtring 10 angebracht. Eine Primärdichtung ist zwischen einander gegenüberliegenden, sich radial erstreckenden Dichtflächen des Dichtrings 10 und dem Dichtelement 14 ausgebildet. Die Dichtfläche des Dichtelements 14 weist in ihrer Vorderseite eingeschnittene flache Nuten auf, um die erforderliche Trennung zwischen den Dichtflächen zu erzeugen. Natürlich könnten die Nuten alternativ im Drehdichtring 10 ausgebildet sein (wie in Fig. 3 dargestellt).
Bevorzugte Konstruktionen der Nuten werden in größerer Einzelheit in unserer mitanhängigen Patentanmeldung No. PCT/IB94/00379, eingereicht am 16. November 1994, angegeben, und die bevorzugten Konstruktionen der Nut werden hierin durch Bezug aufgenommen. Das Dichtelement 14 ist normalerweise aus Kohlenstoff oder einem anderen geeigneten Material hergestellt.
Das Dichtelement 14 ist in Richtung auf den Dichtring 10 durch eine Federeinrichtung 15 (dargestellt teilweise in gepunktetem Umriß) axial vorgespannt. Das Dichtelement 14 weist eine begrenzte Axialbewegung auf. Die Federeinrichtung 15 umfasst normalerweise eine Mehrzahl (z.B. sechs) Federn, die um die Welle 2 angeordnet sind. Die Federn 15 liefern, verglichen mit den Trennkräften, die durch die Dichtung erzeugt werden, wenn sie in Betrieb ist, eine verhältnismäßig kleine Kraft (typischerweise etwa 50 N), sie reichen aber aus, um die Dichtflächen unter druckfreien Zuständen in Berührung zu bewegen. Die Feder 15 wirkt durch eine L-förmige Druckmuffe 17, um die Rückseite des Dichtelements 14 axial in Richtung auf den Dichtring 10 zu drücken.
Die Feder 15 wirkt gegen einen nach innen verlaufenden radialen Flansch eines Gehäuses 19 der Dichtung 1.
Ein Hochdruckgas wird vom Gehäuse 19 zum radialen äußeren Rand des Dichtrings 10 und des Dichtelements 14 zugeführt. Dieses Gas ist normalerweise ein reines Gas, das zum Entlüften in die Atmosphäre geeignet ist, statt das Arbeitsfluid der Maschine, in welchem Fall die Leckage zum Abbrennen durch Rohre geleitet werden kann (abfackeln).
Der Hochdruck erstreckt sich über die Dichtfläche des Dichtelements 14 und um seine Rückseite. Sekundärdichtungen sind vorgesehen, um die Entlüftung des Hochdrucks um das Dichtelement 14 herum zu verhindern.
Eine erste Sekundärdichtung wird durch einen O-Ring 20 zwischen der Druckmuffe 17 und dem sich nach innen erstreckenden radialen Flansch des Gehäuses 19 gebildet. Die Fig. 4a und 4b stellen alternative Anordnungen der ersten Sekundärdichtung dar. Fig. 4a stellt eine erste Alternative dar, bei der die erste Sekundärdichtung durch einen O-Ring 20a und einen Sicherungsring 20b gebildet wird. Der Sicherungsring 20b kann aus z.B. Teflon hergestellt sein und befindet sich auf der Niederdruckseite eines Kanals 21. Fig. 4b stellt eine zweite Alternative dar, in der die erste Sekundärdichtung durch eine mit Federenergie beaufschlagte Polymerdichtung 20 gebildet ist.
Der O-Ring 20 ist in einem Kanal 21 angeordnet, der in dem sich axial erstreckenden Bein der L-förmige Druckmuffe 17 gebildet ist. Der O-Ring dichtet gegen die sich axial erstreckende Fläche des radialen Flansches des Gehäuses 19. Die benachbarten Flächen der Druckmuffe 17 und der radiale Flansch des Gehäuses 19 erstrecken sich im Wesentlichen entlang einer Linie am Gleichgewichtbalancedurchmesser für die Dichtung, wenn sie bei ihrer Gleichgewichtseinstellung betrieben wird. Da sich das Druckmuffenbein radial nach innen vom radialen Flansch des Gehäuses 19 befindet, ruft die Wirkung eines Reibeingriffs des O-Rings nur die Verringerung des Balancedurchmessers hervor, weil sich der Reibeingriff entweder auf oder im Inneren des Gleichgewichtsbalancedurchmessers befindet. Eine Verringerung des tatsächlichen Balancedurchmessers erhöht eine Schließkraft auf die Primärdichtung.

Beispiel

Eine Wellendichtung, die eine Welle von 115 mm dichtet; ist mit einem Druck von 100 Bar beaufschlagt. Der Gleichgewichtsbalancedurchmesser ist auf 150,8 mm eingestellt, bei dem eine Schließkraft von 400 bis 500 N an der Primärdichtung erzeugt wird. Der erste Sekundärdichtungs-O-Ring 20 weist eine radiale Ausdehnung von etwa 3,5 mm auf (wenn neu). Wenn der Reibeingriff zwischen dem O-Ring 20 dazu neigen würde, den tatsächlichen Balancedurchmesser während einer Gleitbewegung mit dem O-Ring 20 zu erhöhen, d. h. der Umstand nach dem Stand der Technik, könnte der Balancedurchmesser auf ein Maximum von 157,8 mm erhöht werden. Bei diesem Balancedurchmesser gibt es eine Nettoöffnungskraft auf die Primärdichtung von etwa 12000 N. Dieses Beispiel setzt den Fall voraus, in dem sich der O-Ring 20 im Kanal · 2·1 nicht bewegt. Normalerweise würde sich der O-Ring 20 unter niedrigeren Drücken bewegt haben, aber die Nettoöffnungskraft könnte immer noch größer sein als die Schließkraft der Federn (die typischerweise im Bereich von 50 N liegt).
Dies ist in Fig. 3 veranschaulicht, die ein schematisches Druckprofil darstellt, das der Primärdichtung der Wellendichtung 1 überlagert ist. Der Abstand zwischen dem Dichtring 10 und dem Dichtelement 14 ist für veranschaulichende Zwecke übertrieben worden. Der Blockkopfpfeil 30 gibt die Hochdruckquelle auf dem Außendurchmesser der Dichtung wieder.
Linie a stellt das Druckprofil dar, das bei der Dichtung 1, die unter stabilen Zuständen betrieben wird, erzeugt wird. Der höchste Druck wird an dem radial nach innen gelegenen Ende der Nuten erzeugt (dargestellt in diesem Fall auf dem Dichtring 10), veranschaulicht als Linie d. Wie ersichtlich ist, ist dieser Druck bei stabilen Betriebszuständen, dargestellt als Linie a, größer als der Druck am Punkt f, der dem Öffnungsdruck entspricht. Der Balancedurchmesser ist für diesen stabilen Zustand als Linie e, der Gleichgewichtsbalancedurchmesser, dargestellt.
Linie b veranschaulicht die vorliegende Erfindung, wobei das Druckprofil während des Inbetriebsetzens der Maschine dargestellt ist. Während der Balancedurchmesser verringert ist, ist die durch die Linie b veranschaulichte Schließkraft höher als der Druck bei stabilem Betrieb, Linie a, weil der Abstand zwischen dem Dichtring 10 und dem Dichtelement 14 kleiner ist. Die Dichtung wird folglich in ihre stabilen Betriebszustände getrieben, ungeachtet des Reibeingriffs des O-Rings 20.
Linie c veranschaulicht die Situation nach dem Stand der Technik, wo der O-Ring festhaftet und den Balancedurchmesser erhöht, der beim Inbetriebsetzen erzeugt wird. Weil die Schließkraft niemals die Öffnungskraft (H.P.) übertrifft, wird die Dichtung offen geblasen und, wie ersichtlich ist, wird nicht genug Kraft erzeugt, um zuzulassen, dass sich die Primärdichtung bildet.
In Ausführungformen, nicht dargestellt, in denen sich der Hochdruck vom Gleichgewichtsbalancedurchmesser radial nach innen erstreckt, kann sich der entsprechende O-Ring der ersten Sekundärdichtung in einem Kanal in dem radial außerhalb des Gleichgewichtsbalancedurchmessers angeordneten Teil befinden. In diesem Fall neigt der Reibeingriff des O-Rings dazu, den tatsächlichen Balancedurchmesser zu erhöhen, was wieder dazu tendiert, die an der Primärdichtung erzeugte Schließkraft zu erhöhen.
Die veranschaulichte Ausführungsform stellt den O-Ring 20 im Kanal 21 dar. Dies könnte durch einen Sicherungsring, der z.B. aus Teflon hergestellt ist, auf der Niederdruckseite des Kanals 21 ergänzt sein.
Eine weitere Sekundärdichtung ist auch zwischen der Rückseite des Dichtelements 14 und dem sich radial erstreckenden Bein der Druckmuffe 15 gebildet. Ein O-Ring 24 befindet sich in einem Kanal 25, der in der Druckmuffe 15 gebildet ist (aber alternativ in der Rückseite des Dichtelements 14 gebildet sein könnte). Der Kanal 25 ist ein halber Schwalbenschwanzkanal. Diese Form des Kanals 25 verhindert einen Druckaufbau im Kanal 25, der dazu führt, dass der O-Ring 24 während eines schnellen Druckabbaus der Maschine oder anderer Übergangszustände aus dem Kanal 25 herausgeblasen wird. Diese Form des Kanals 25 könnte in allen Wellendichtungsgehäusen, die eine ähnlich platzierte Sekundärdichtung verwenden, vorteilhafterweise verwendet werden.
Natürlich könnten Standardkonstruktionen eines Kanals (nicht dargestellt) für die weitere Sekundärdichtung verwendet werden, aber dies wird nicht bevorzugt.
Die alternativen Dichteinrichtungen, die in den Fig. 4a und 4b dargestellt sind, könnten auch an allen anderen Stellen verwendet werden, wo O-Ringe in den veranschaulichten Ausführungsformen verwendet werden. Die mit Federenergie beaufschlagte Teflondichtung vom "U"-Typ, die in Fig. 4b dargestellt ist, wird häufig wegen ihres guten Verhaltens während einer Druckentlastung verwendet.
Wie oben erwähnt, werden Tandemdichtungen 1 entlang einer Welle 2 mit der zweiten Dichtung 1 verwendet, die als Sicherung für die erste Dichtung wirkt. Eine oder mehrere weitere Dichtungen könnten auch entlang der Welle vorgesehen sein, falls erforderlich.

Claims

1. Wellendichtung (1) mit einem Dichtungselement (14), welches neben einem Rotationsdichtungsring (10) angebracht ist, der zur Passung um die Welle (2) auf einer Innenbuchse (11) angordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Innern der Buchse (11) nach außen in den Dichtungsring (10) sich erstreckende Überschiebmuffe sowie zur achsrichtungs- und drehfesten Blockierung des Dichtungsrings (10) auf der Buchse (11) ein in die Überschiebmuffe passendes Blockierungselement (12) vorgesehen sind.

2. Anordnung für eine Wellendichtung (1) mit einem Dichtungsring (10), einer Innenbuchse (11) und einem Blockierungselement (12), in welcher der Dichtungsring so beschaffen ist, dass er um die Innenbuchse (11) paßt, mit einer sich vom Innern der Wellenbuchse (11) radial nach außen in den Dichtungsring (10) sich erstreckenden Überschiebmuffe und dem Blockierungselement (12), das so angeordnet ist, dass es in die Überschiebmuffe paßt, um den Dichtungsring (10) achsrichtungs- und drehfest auf der Buchse (11) zu verblocken.

3. Wellendichtung oder Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei sich die Muffe vollständig durch die Innenbuchse (11) erstreckt.

4. Wellendichtung oder Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei die Muffe durch den Dichtungsnng (10) und die Innenbuchse (11) hindurchgehend ausgebildet ist, wenn diese Teile miteinander verbunden sind, um sicher zu stellen, dass das Blockierungselement (12) zuverlässig blockiert.

5. Wellendichtung oder Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, wobei das Blockierungselement (12) in radialer Ebene ein halbmondförmiges Querschnittsprofil aufweist.

6. Wellendichtung oder Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei die Innenbuchse (11) einen sich radial nach außen erstreckenden Flanschteil, jedoch keinen sich in Achsrichtung an der Außenseite des Flanschteils sich erstreckenden Mantelteil aufweist.

7. Wellendichtung oder Anordnung nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellendichtung (1) zur Bildung einer Primärdichtung zwischen einander gegenüberliegenden Seiten das koaxial zum Rotationsdichtungsring (10) angebrachte Dichtungselement (14) aufweist, um einen Fluidfluss durch die Primärdichtung hindurch von einer Radialseite mit hohem Druck zu einer Radialseite mit niedrigem Druck im wesentlichen zu verhindern, wobei das Dichtungselement (14) von einer Spannvorrichtung (15) in Achsrichtung gegen den Rotationsdichtungsring (10) gepresst wird und die Spannvorrichtung zwischen einer mit dem Dichtungselement (14) verbundenen Vordrückmuffe (17) und einem Dichtungsgehäuse (19) mit einer Sekundärdichtung wirkt, welche dazwischen von einem Dichtungselement (20) gebildet wird, das sich in einem Kanal (21) in dem Teil auf der Radialseite mit dem Niederdruck befindet; und worin die Wellendichtung (1) wahlweise eine berührungsfreie Dichtung ist.

8. Wellendichtung oder Anordnung nach Anspruch 7, wobei die Radialseite mit dem hohem Druck die Radialaussenseite ist und der Kanal (21) auf der Vordrückmuffe (17) eingeformt ist;: und/oder worin zusätzlich mittels eines O-Rings eine weitere Dichtung (24) vorgesehen ist; wobei der O-Ring zwischen der Vordrückmuffe (17) und dem Dichtungselement (14) angeordnet ist und der weitere Dichtungs-O-Ring sich in einem Kanal (25) mit einseitiger Schwalbenschwanzform befindet.

9. Wellendichtung oder Anordnung nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Hochdruckseite der Dichtung ein Gas in die Dichtung gepumpt wird und/oder auf der Niederdruckseite zur Umgebung hin entlüftet wird.

10. Turbomaschine oder andere druckbetriebene Maschine mit einer Wellendichtung oder Anordnung nach jedem der Ansprüche 1 bis 9.