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Die
Erfindung betrifft Abdichtungen für rotierende Wellen, um einen
Strömungsfluß zwischen dem
rotierenden und stationären
Teil zu verringern, und insbesondere eine Gleitringdichtung mit
verbesserten Dichtcharakteristiken, welche absichtlich einen turbulenten
Strömungsfluß entlang
dem Dichtspalt auslöst.
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Dichtungen
entlang rotierender Wellen für große Maschinen,
wie z. B. Gasturbinen oder Dampfturbinen, haben komplexe Abdichtprobleme.
Derartige Maschinen verwenden traditionellerweise Labyrinthdichtungen
an Orten kritischer Abdichtung, wie z. B. am Kompressorauslaß bei einer
Gasturbine oder am Ende der Welle einer Dampfturbine. Labyrinthdichtungen
haben in der Regel verhältnismäßig hohe
Leckströme,
da Labyrinthdichtungen üblicherweise
derart ausgelegt sind, daß für den axialen
Strömungsfluß ein Zwischenraum
von 0,00254 cm (1 Mill; 0,001 Inches) pro 2,54 cm (1 Inch) Wellendurchmesser.
Damit ergibt sich für
eine Welle von 50,8 cm (20 Inches) normalerweise ein Zwischenraum
von 0,0508 cm (20 Mill) für
eine Labyrinthdichtung. Bei Gasturbinen sind Wellendurchmesser von
50,8 cm (20 Inches) nicht unüblich,
wogegen bestimmte Dampfturbinen Wellendurchmesser von 152,40 cm bis
203,20 cm (60 bis 80 Inches) haben und zwar bei Zwischenräumen bzw.
Spaltabmessungen von 0,01524 cm bis 0,02032 cm (60 bis 80 Mill).
Andererseits sind hydrostatische Gleitringdichtungen normalerweise
absichtlich derart ausgestaltet, daß sich ein laminarer Strömungsfluß im Dichtspalt
ergibt. Eine derartige laminare Strömung erhält man durch das Vorsehen eines
konvergierenden Strömungsweges im
Dichtbereich von dem hohen Druckbereich in der Maschine zum niederen
Druckbereich, wobei eine Spaltabmessung in der Größenordnung
von 0,00127 cm (0,005 Inch; 0,5 Mill) und kleiner vorgesehen ist. Abdichtungen
mit derart kleinen Spaltabmessungen sind schwierig, wenn nicht gar
unmöglich
für solche Anwendungen
zu verwenden, da derartige Abdichtungen im wesentlichen intolerant
gegen Verbiegungen oder Verformungen der Geometrie sind, welche sich über die
Lebens dauer der Dichtung bzw. durch Übergangsbedingungen einstellen,
wie z. B. stark variierende Druck- oder Temperaturdifferenzen. Aus diesem
Grund wurden hydrostatische Gleitringdichtungen nicht erfolgreich
für derartige
Anwendungen eingesetzt. In der US-A-5284347 wurde ein Dichtungsaufbau
für solche
Anwendungen vorgeschlagen, die Gas-Lagerflächen im Strömungsweg und aufwendige Zentrierungsmittel
haben, um ein Minimieren der Dichtungsverformung zu bewirken. Obwohl
nicht ausdrücklich
diskutiert, wurden derartige Dichtungen nicht mit dem Vorsehen einer
turbulenten Strömung
im Dichtspalt entworfen.
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Es
wird ferner auf die US-A-5284347 Bezug genommen, die eine Dichtung
mit einem Servomechanismus 9, 10 zum Öffnen des
Dichtspaltes offenbart, wenn ein niedriger Druck über dem
Dichspalt anliegt. Diese Druckschrift lehrt jedoch nicht die absichtliche
Einführung
eines turbulenten Strömungsflusses
in den Dichtspalt.
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Es
wird auch auf die EP-A-0305941 Bezug genommen, welche eine Abdichtung
für Reaktorkühlpumpen
offenbart, wobei die Pumpe zwischen einer Hochdruckkammer 36 und
einem Niederdruckbereich (bei der Welle 34) arbeitet. Es
ist in 17 graphisch die Druckdifferenz
und die Filmschichtdicke dargestellt, welche nur eine laminare Strömung im Dichtspalt
bewirkt und zwar mit oder ohne Ausgleichskammer. In diesem Zusammenhang
wird eine absichtlich eingeführte
turbulente Strömung
in den Dichtspalt zwischen den Oberflächen 64 und 66 nicht gelehrt.
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Es
wird auch auf die US-A-4471966 hingewiesen, die eine Dichtungsanordnung
zwischen einer Hochdruckkammer und einer Niederdruckkammer 2 entlang
einem konvergierenden Strömungsweg
offenbart. Diese Abdichtung erfordert die Verwendung einer Druckquelle
mit höherem
Druck, um über
eine Leitung 9 eine Strömung
in den Dichtspalt einzuleiten, so daß die Strömung im Dichtspalt von der Öffnung 8 zur
Kammer 1 etwa 70% der gesamten Strömung von der Leitung 9 beträgt und bezüglich der Strömung zur
Kammer 2 einen Strömungsanteil
von 30% hat. Auch hier gibt es keine Lehre oder einen Rückschluß auf einen
Aufbau, der absichtlich eine turbulente Strömung im Dichtspalt zwischen
der Öffnung 8 und
der Kammer 2 vorsieht.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, hydrostatische Gleitringdichtungsvorrichtung
durch eine Dichtungsanordnung zu ermöglichen, welche einen ausreichend
großen
Dichtspalt bzw. eine Leckstrecke entlang der Dichtfläche hat,
um einen Betrieb ohne Schäden
in Folge von umweltinduzierten Veränderungen von Komponenten der
Dichtungs vorrichtung zu erlauben. Dies wird durch die Ausgestaltung
der Dichtung in der Weise bewirkt, daß sich eine turbulente Strömung im
Gegensatz zu einer laminaren Strömung
absichtlich entlang dem Dichtspalt einstellt. Diese turbulente Strömung erhält man durch die
Auswahl einer bestimmten Dichtungsgeometrie insbesondere entlang
den Dichtflächen,
wodurch ein Dichtspalt mit einer Spaltabmessung von im Minimum 0,00508
cm (2 Mill) zwischen der sich drehenden Dichtsscheibe und dem nächstliegenden
Teil des Dichtringes bewirkt wird. Diese turbulente Strömung wird
im Dichtspalt durch das Vorsehen eines konvergierenden Strömungsweges
in Form einer Stufe bewirkt, welche in axialer Richtung eine Höhe von 0,00254
cm oder mehr hat. Zusätzlich
sind für
den Anlauf und die Abschaltung die Betriebszyklen der Dichtung beeinflussende
Segmente vorgesehen und ferner die Dichtungsanordnung mit einem
Servomechanismus versehen, welcher die bearbeiteten kritischen Dichtflächen während der
Niederdruckphasen der Betriebszyklen und ferner während nicht
erwarteter und erwarteter Übergangsvorgänge auseinander fährt.
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Es
wird auch auf die US-A-3685839 hingewiesen, welche eine hydrostatische
Gleitringabdichtung mit einer Stufe offenbart, die jedoch einen
verschiedenen Servomechanismus zum Öffnen der Abdichtung zeigt
und keine Lehre bezüglich
der Höhe der
Stufe gibt, die die beabsichtigte Einleitung einer turbulenten Strömung im
Dichtspalt während
des Abdichtvorganges bewirkt.
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Die
vorliegende Erfindung kann nicht nur bei komprimierbaren Medien
wie Luft sondern auch bei nicht komprimierbaren Medien wie Wasser
und Öl Verwendung
finden. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die turbulente Strömung im
konvergierenden Strömungsweg
von der Hochdruckkante zur Niederdruckkante entlang dem Dichtspalt
für solche
Medien absichtlich induziert wird, und daß die turbulente Strömung sich
einstellt, wenn die Reynold'sche
Zahl für
das System über
1800 liegt. Es sei bemerkt, daß sich
die Reynold'sche
Zahl umgekehrt proportional mit der Viskosität des Mediums ändert, in
welchem die Abdichtung funktioniert. Für ein Medium mit geringer Viskosität wie Luft
ist die Stufe in der Dichtfläche größer als
0,00254 cm (1 Mill; 0,001 Inches). Für übersättigten Dampf in einer Dampfturbine,
welcher in vielfacher Hinsicht wie Luft wirkt, liegt die Viskosität des Mediums
etwas höher
und deshalb ist die Stufenhöhe
etwas größer als
0,00254 cm (1 Mill). Für
ein flüssiges
Medium liegt die Konvergenz des Dichtungsspaltes ebenfalls über 0,00254
cm (1 Mill), da die Viskosität
der Flüssigkeit
wesentlich größer ist. Um
daher sicherzustellen, daß eine
turbulente Strömung
durch den Dichtungsspalt erreicht wird, muß die Geometrie des Systems,
die Temperatur des Mediums, die Viskosität des Mediums, die Strömungsgeschwindigkeit
entlang dem Dichtspalt und der Druckabfall (wenn auch nur in geringem
Umfang) in Betracht gezogen werden, da jede Größe die Reynold'sche Zahl des Systems
beeinflußt.
Somit ist für die
Anwendung der Erfindung das Dichtungssystem mit einer Stufe bzw.
einem Sprung ausgelegt, der die Reynold'sche Zahl im Dichtungsspalt über 1800
hält, so
daß sich
eine turbulente Strömung
entlang dem Dichtungsspalt ergibt. Für ein System mit einem gasförmigen Medium
sollte sichergestellt werden, daß der Dichtungsspalt in axialer
Richtung genügend groß ist und
die Geometrie derart gestaltet ist, daß der axiale Sprung in der
Dichtfläche
flußabwärts gerichtet
zumindest 0,00508 cm (2 Mill) hat.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen.
Diese zeigen:
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1A einen Teilschnitt durch
ein Gehäuse mit
einer rotierenden Welle und einer Dichtungsanordnung gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung, welche eine Abdichtung zwischen dem
Niederdruckbereich und dem Hochdruckbereich im Gehäuse bewirkt,
wobei die Dichtungsanordnung für
einen Normalbetrieb dargestellt ist;
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1B eine der 1 entsprechende Darstellung, die die
Dichtungsanordnung in einer offenen bzw. zurückgezogenen Position zeigt;
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2 einen Schnitt längs der
Linie II-II der 1A.
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Es
wird nun auf eine Ausführungsform
der Erfindung gemäß den 1A, 1B und 2 Bezug
genommen, welche einen Teil eines Gehäuses 10 und zwar z.
B. den Teil des Gehäuses 10 einer
Gasturbine stromab von der Auslaufeinheit des Kompressors liegt
und eine Hochdruckkammer 12 sowie eine Niederdruckkammer 14 hat.
Eine Welle 16, deren Achse horizontal verläuft, dreht
sich mit verhältnismäßig hoher
Geschwindigkeit innerhalb des Gehäuses 10. Mit der Welle
und zwar in der Darstellung einstückig, obwohl auch anmontierte
Versionen bekannt sind, ist eine radial sich erstreckende ringförmige Dichtscheibe 18 ausgebildet,
welche sich von der Achse der Welle 16 weg seitlich erstreckt.
Diese Dichtscheibe 18 besitzt eine radial sich erstreckende
genau bearbeitete Dichtfläche 20 in
ebenfalls ringförmiger
Konfiguration. Gemäß der Darstellung
ist der Niederdruckbereich 14 innerhalb des Gehäuses benachbart
zur rotierenden Welle 16 angeordnet, während der Hochdruckbereich 12 weiter
außen
außerhalb
der Außenkante
der Dichtscheibe 18 angeordnet ist.
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Zwischen
den Hochdruckbereich 12 und den Niederdruckbereich 14 des
Gehäuses 10 ist
eine Dichtringanordnung 22 eingefügt, welche über einen Teil der Welle 16 greift
und derart axial positioniert ist, daß sie entlang der Welle in
Richtung auf die Dichtscheibe 18 hin und weg verschoben
werden kann. Wie nachfolgend noch im Detail beschrieben, wird ein
Strömungsfluß von der
Hochdruckkammer 12 zum Niederdruckbereich 14 innerhalb
des Gehäuses 10 durch
die Dichtringanordnung 22 verhindert, die mit weiteren
Komponenten des Gehäuses 10 zusammenarbeitet,
ausgenommen entlang einem primären Dichtspalt 21 zwischen
der Dichtringanordnung 22 und der Dichtfläche 20 der
Dichtscheibe. Die Dichtringanordnung 22 umfaßt einen
Dichtring 24 mit einem etwa L-förmigen Querschnitt, der in
Richtung auf die Dichtfläche 20 der
Dichtscheibe 18 und von dieser weg verschiebbar ist, um
die Größe des Dichtspaltes 21 zu
verändern.
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Das
Gehäuse 10 umfaßt ein verdicktes
Gehäusesegment 30,
welches im äußeren Peripheriebereich
des Gehäuses
angeordnet ist und in welches eine stationäre Rahmenanordnung 28 eingreift,
die sich von der Welle 16 weg erstreckt und der Montage der
Dichtringanordnung 22 innerhalb des Gehäuses dient. Diese stationäre Rahmenanordnung 28 hat grundsätzlich eine
ringförmige
Konfiguration und ist mit einem Ringflansch 32 in dem verdickten
Gehäusesegment 30 positioniert
sowie mit geeigneten Mitteln dicht befestigt. Dazu wird beispielsweise
ein Rastring 34 verwendet, der in eine Ausnehmung 35 am
verdickten Gehäusesegment 30 eingreift.
Die Rahmenanordnung 28 umfaßt eine Nabenanordnung 36 mit
grundsätzlich
ringförmiger
Konfiguration, welche näher
bei der Welle 16 als der Ringflansch 32 positioniert
ist. Von der Nabenanordnung 36 erstreckt sich ein Dichtungsmontageteil 38 von
grundsätzlichem
L-förmigem
Querschnitt, an welchem die Dichtringanordnung 22 montiert
ist und welcher dazu dient, einen sekundären Dichtring 40,
wie später
beschrieben, aufzunehmen. Die zentrale Nabenanordnung 36 ist
grundsätzlich
in etwa derselben radialen Positionierung relativ zur Welle 16 wie
die Dichtscheibe angeordnet und liegt auf der rechten Seite von dieser
Dichtfläche
gemäß der Darstellung
in 1A und 1B, so daß die Nabenanordnung 36 und
der Dichtungsmontageteil 38 grundsätzlich gegenüberliegend
der sich radial erstreckenden Dichtfläche 20 positioniert.
Der Dichtring 24 bewegt sich axial in Richtung auf die
Dichtscheibe 18 und von dieser weg zwischen der Nabenanordnung 36 und
der Dichtscheibe 18. Dieser Dichtring 24 hat gewünschterweise
eine kontinuierlich umlaufende Struktur und eine radial sich erstreckende
ebenfalls ringförmige
Dichtfläche 26,
die genau bearbeitet und geläppt
ist. Dieser Dichtring liegt der Dichtfläche 20 der Dichtscheibe 18 gegenüber und
bewirkt den primären Dichtspalt 21 zwischen
beiden Teilen. Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung ist die ringförmige
Dichtfläche 26 als
flache, sich radial erstreckende Konfiguration ausgebildet, wobei
die Konvergenz des Dichtspaltes durch einen Sprung 42 erreicht
wird, der sich gegen die Dichtfläche 20 der
Dichtscheibe in Form einer Dichtkuppe 44 am Dichtring 24 in
der Nähe
der Welle 16 ersteckt. Die Größe dieses Sprunges 42 ist
für die
Erfindung kritisch, da sie eine Geometrie bewirken muß, welche
eine turbulente Strömung
im Dichtspalt auslöst
und dadurch einen ausreichenden Zwischenraum zwischen dem Dichtring und
der Dichtscheibe bewirkt, um die Gleitringdichtung für den praktischen
Gebrauch und das beschriebene Umfeld anwendbar zu machen.
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Von
der äußeren Peripherie
des Dichtringes 24 aus erstreckt sich ein gekrümmter Vorsprung 46 als
kontinuierlich ringförmige
Konfiguration, der einen Teil des äußeren Stirnflächenumfanges 50 der
Dichtscheibe 18 übergreift
und von welchem sich eine ringförmige
kontinuierliche Begrenzungsrippe 48 vorgegebener Größe vom Vorsprung 46 aus
gegen den Stirnflächenumfang 50 der
Dichtscheibe 18 erstreckt, wobei zwischen der Begrenzungsrippe 48 und
dem Stirnflächenumfang 50 ein
Abstand B vorgesehen ist, der für
den Betrieb der Dichtringanordnung 22 wichtig ist. In axialer
Richtung von der Dichtscheibe 18 weg weisend erstreckt
sich vom inneren Ende des L-förmigen
Dichtringes 24 eine hülsenartige
Erstreckung 52, die auf der Außenseite eine Dichtfläche 54 besitzt,
welche mit dem sekundären
Dichtring 40 zusammenwirkt und entlang der Dichtfläche 54 eine
Abdichtung bewirkt. Die hülsenförmige Erstreckung 52 endet
in einer Vielzahl von ausgerichteten Vorsprüngen 56, die sich
axial von der rechtsseitigen Endfläche, wie aus 1A und 1B entnehmbar,
nach außen
erstrecken. Diese Vorsprünge
wirken mit Ausnehmungen oder Schlitzen 58 zusammen, die
von der Nabenanordnung 36 aus mit nach unten gerichteten
Vorsprüngen 60 zusammenwirken,
um den Dichtring 24 bezüglich
der Nabenanordnung 36 und der Dichtscheibe 18 auszurichten.
Es ist einleuchtend, daß die
ausgerichteten Vorsprünge 56 relativ paßgenau von
den Schlitzen 58 aufgenommen werden und daß eine Vielzahl
von Vorsprüngen 60 über den
Umfang der hülsenartigen
Erstreckung 52 verteilt so angebracht sind, daß sie den
Dichtring 24 bezüglich
der Lage zur Welle 16 und zur Dichtscheibe 18 stützen und
zentriert ausrichten.
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Ein
zusammenfassend mit 62 bezeichneter Servomechanismus ist
zwischen den Dichtring 24 und den Dichtungsmontageteil 38,
wie noch beschrieben wird, eingefügt. Im einzelnen verlaufen eine
Vielzahl von Stifte 64 axial von der rückseitigen Oberfläche 66 des
Dichtringes 24 in Richtung auf den Dichtungsmontageteil 38 und
durch entsprechende Bohrungen 68 in das Innere dieses Teils.
Die Stifte erstrecken sich vollständig in einen ringförmigen Innenraum
zwischen dem Dichtungsmontageteil 38 und der Nabenanordnung 36.
Am vorderen Ende dieser Stifte, d. h. gegenüberliegend der Bohrung 68, sind
an den Stiften 64 topfartige Elemente 70 mit einem
nach außen
abstehenden Flansch 72 angeordnet. Zwischen dem Flansch 72 und
dem Montageteil 38 liegt über jedem Stift 64 eine
Schraubenfeder 74, die den Dichtring 24 von der
Dichtscheibe 18 weg gegen die Nabenanordnung 36 drückt.
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Um
sicherzustellen, daß der
Strömungsfluß von der
Hochdruckkammer 12 zur Niederdruckkammer 14 nur
entlang dem Dichtspalt 21 verläuft, sind sekundäre Dichtungsmittel
wie der sekundäre
Dichtring 40 nicht nur als Abdichtung der Bohrung zwischen
der äußeren Oberfläche 54 der
hülsenartigen Erstreckung 52,
sondern eine Gleitringdichtung zwischen der Oberfläche 76 an
der Nabenanordnung 36 und der gegenüberliegenden radial sich erstreckenden
Oberfläche
des sekundären
Dichtringes 40 vorgesehen. Man erkennt, daß die Oberfläche 76 des sekundären Dichtringes 40 gegenüberliegend
zur Dichtfläche 20 der
Dichtscheibe 18 angeordnet, d. h. auf diese ausgerichtet,
angeordnet ist. Die sekundäre
Durchgangsdichtung an der Oberfläche 54 ist
auf den Sprung 42 ausgerichtet, so daß diese Oberfläche 54 der
Dichtringanordnung 22 bezüglich des Durchmessers auf
die Lage des Sprunges 42 abgestimmt ist. Die sekundäre Dichtringanordnung 40 kann
in vielfacher Weise entsprechend bekannter Anordnungen ausgestaltet
sein und z. B. aus einem Kolbenring oder einer segmentierten Ringdichtung
bestehen. Alternativ ist auch eine Balgdichtung vorgesehen, welche
unmittelbar zwischen den Dichtring 24 und die Oberfläche 76 der
Nabenanordnung eingepaßt
ist, um die Dichtfunktion zu bewirken.
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In
den 1A und 1B sowie 2 ist ein bloß als Beispiel
des Standes der Technik segmentierter Dichtring für ein Segment 77 gezeigt.
Zum besseren Verständnis
des sekundären
Dichtringes 40 wird auf die 1 und 2 des US-Patentes 4,082,296
hingewiesen, welches am 4. April 1978 der Firma Stein Seal Company
erteilt wurde. Die in dieser Patentschrift offenbarte Abdichtung
benutzt nicht das Merkmal einer negativen hydrodynamischen Verschiebung,
da sie mit nichtrotierenden Teilen zusammen Verwendung findet. Jedoch
ist sie im übrigen
als Beispiel einer sekundären
Dichtung verwendbar. Die sekundäre
Dichtungsanordnung 40 ist dafür vorgesehen, zusammen mit
der primären
Dichtringanordnung 42 angewendet zu werden. Deshalb kann
für eine
Gleitringdichtung für
ein gasförmiges
Medium eine abweichende sekundäre
Dichtung Verwendung finden, wenn sie für eine Dichtringanordnung 22 und einen
sekundären
Dichtring 40 in einem flüssigen Medium Verwendung findet.
Wie bereits bemerkt, ist die sekundäre Dichtungsanordnung nicht
Teil dieser Erfindung, soweit sie nicht notwendig ist, um eine sekundäre Abdichtungsfunktion
zu erfüllen.
Wenn z. B. der Dichtungsring gemäß 1 bis 4 des
US-Patentes 4,082,296 als sekundäre
Dichtungsanordnung 40 Verwendung findet, so kann man sehen,
daß eine Schlauchringfeder 78 die
Dichtringsegmente 77, von welchen nur ein Segment dargestellt
ist, in Anlage mit der Oberfläche 54 der
hülsenartigen
Erstreckung 52 bringt, um die Abdichtung in der Bohrung
zu bewirken. Gleichzeitig wirkt eine Vielzahl von symmetrisch über den
Umfang verteilten Schraubenfedern, von welchen eine Schraubenfeder 80 dargestellt
ist, zwischen dem Dichtringsegment 77 und der gegenüberliegenden
Oberfläche 82 an
dem Montageteil 38, um das Segment gegen die Fläche 76 zu
drücken
und eine Gleitringabdichtung zu bewirken. Die Schraubenfedern 80 sind
in einander gegenüberliegenden Ausnehmungen 83 und 85 im
Montageteil 38 und im Dichtungssegment 77 eingesetzt,
um die Schraubenfedern 80 zu positionieren. Axial sich
erstreckende Ausnehmungen 79 sind in dem Dichtringsegment 77 angeordnet,
um als Abnutzungspuffer für
die Durchgangsdichtung zu wirken, und außerdem sind radiale Vertiefungen 81 in
der radialen äußeren Dichtfläche angebracht,
die in einer Nut 83 im Segment 77 enden, um ein
Anliegen dieses Segmentes an der Oberfläche 76 der Nabenanordnung 36 zu
verhindern.
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Wenn
man den Normalbetrieb betrachtet, stellt man fest, daß der hohe
Druck in der Hochdruckkammer 12 eine Schließkraft auf
die rückseitige Oberfläche 66 des
Dichtringes 24 ausübt,
wenn eine hohe Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckbereich 12 und
dem Niederdruckbereich 14 existiert. Diese Kraft verschiebt
den Dichtring 24 gegen die Dichtfläche 20 der Dichtscheibe 18.
Dieser Bewegung wirkt die Kraft der Schraubenfedern 74 entgegen,
welche den Dichtring 24 von der Dichtscheibe 18 wegdrücken. Diese
Kraft der Schraubenfedern 74 muß von dem hohen Druck überwunden
werden, so daß der
Dichtring 24 gegen die Oberfläche der Dichtscheibe gedrückt wird
und den Dichtspalt 21 schließt. Die hülsenartige Erstreckung 52 bewegt
sich entsprechend axial bezüglich
der Welle 16, so daß die Oberfläche 54 bezüglich der
sekundären
Dichtringanordnung 40 verschoben wird, um die sekundäre Durchgangsdichtung
und die Gleitringdichtung aufrecht zu erhalten. Die Größe des Spaltes
B zwischen der Begrenzungsrippe 48 und der stirnseitigen
Umfangsfläche
der Dichtscheibe 18 ist während des Normalbetriebs der
Abdichtung wesentlich größer als
der Dichtspalt 21 zwischen der Dichtkuppe 44 und
der umlaufenden Dichtfläche 20 der
Dichtscheibe 18. Die Abmessung C des Dichtspaltes wird
von der axialen Position der Dichtkuppe 44 gegenüber der
Dichtfläche 20 bestimmt.
Auf diese Weise übt
im Normalbetrieb der Druck in der Hochdruckkammer 12 eine Kraft
auf die rückseitige
Oberfläche 66 des
Dichtringes 24 aus und drückt diesen gegen die Dichtscheibe 18,
so daß der
hohe Druck daran gehindert wird, sich von der Hochdruckkammer 12 zur
Niederdruckkammer 14 in Folge der Abdichtwirkung des sekundären Dichtringes
mit Ausnahme des Druckausgleiches über die Spalte B zwischen der
Begrenzungsrippe 48 und der Stirnfläche 50 der Dichtscheibe
und dem Dichtspalt 21 auszubreiten. Die Konvergenz der Gleitringdichtung
entlang der Dichtfläche 20 ergibt sich
entsprechend dem Beispiel in den 1 und 2 aufgrund des Sprunges 42,
der eine Verengung des Strömungsweges
in Richtung des Strömungsflusses von
der äußeren zur
inneren Kante der Dichtfläche 20.
Der Grad der Konvergenz bzw. Verengung, d. h. die Höhe des Sprunges 42 liegt
beabsichtigt auf einem Wert über
0,00254 cm (0,001 Inch; 1 Mill), wodurch sich eine Reynold'sche Zahl für das System
mit einem Wert über
1800 ergibt, so daß sich
eine turbulente Strömung
entlang dem Dichtspalt 21 einstellt. Auf diese Weise wird
ein Zwischenraum C zwischen der Dichtkuppe 44 und der Dichtfläche 20 für dieses Beispiel
bestimmt, der in der Größe von 0,00508
cm (2 Milli-Inch) liegt, so daß sich
ein größerer Abstand ergibt
als der, welcher erreichbar wäre,
wenn das Dichtungssystem nur eine laminare Strömung durch den Dichtspalt 21 hätte. Im
vorliegenden Beispiel wird der Grad der Konvergenz der Dichtfläche 26,
d. h. die Höhe
des Sprunges 42 derart bemessen, daß sie ungefähr den Abstand während eines
Normalbetriebes zwischen der Dichtkuppe 44 und der Dichtfläche 20 entspricht.
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Bei
einer Ausführung
der Abdichtung mit einem beabsichtigten turbulenten Fluß entlang
dem Dichtspalt arbeitet die Abdichtung mit ausreichendem Zwischenraum,
um die Abnutzung der Dichtung für
den Fall thermischer Störungen,
Vibration oder dergleichen zu minimieren, welchen die Dichtringanordnung 22 während des
Betriebs und während Übergangszuständen ausgesetzt
ist. Dadurch erhält man
eine Abdichtungsanordnung mit sehr hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer
sowie geringem Leck verglichen mit anderen Abdichtsystemen, die
für solche
Anwendungen Verwendung finden. Selbstverständlich haben Dichtungen gemäß der Erfindung
einen größeren Leckanteil
als Dichtungen, die aufgrund ihrer geometrischen Ausgestaltungen nur
eine laminare Strömung
zulassen, jedoch sind diese letzteren Dichtungen unzuverlässig und/oder haben
eine wesentlich kürzere
Lebensdauer für
viele wichtige Anwendungsfälle.
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Während des Übergangsbetriebes,
z. B. beim Hochlaufen einer Gas- oder Dampfturbine, bevor sich in
der Hochdruckkammer ein ausreichend hoher Druck aufgebaut hat, fehlt
der Druck, der die rückseitige
Oberfläche
GG des Dichtringes 24 gegen die Dichtscheibe 18 drücken würde. Das
heißt,
die Dichtringanordnung 22 verschiebt sie nach rechts, und
zwar achsparallel zu der Welle 16 in eine Position, die
in 1B dargestellt ist
und zwar in Folge des Einflusses der verschiedenen Schraubenfedern 74, welche
zwischen dem Flansch 72 und dem Montageteil 38 angeordnet
sind. Wenn die Dichtanordnung sich in einer Position gemäß 1B befindet, wird bei ansteigendem
Druck in der Hochdruckkammer 12 die Strömung von der Kammer 12 zur
Niederdruckkammer 14 in Folge des Zwischenraumes B zwischen
der Begrenzungsrippe 48 und der Stirnfläche 50 der Dichtscheibe 18 vergrößert, wodurch
sich ein Druckabfall zwischen der Hochdruckkammer und der Niederdruckkammer
ergibt, der jedoch in seiner Amplitude bedeutend kleiner als der
während
eines Normalbetriebs der Dichtring 22 ist. Wenn der Druck
in der Hochdruckkammer 12 weiter ansteigt, verursacht die
Begrenzungsrippe 48 eine Verringerung des Druckes in dem
Dichtspalt 21 und zwar auf einen Wert, der kleiner ist
als der Druck, welcher durch das Medium in der Hochdruckkammer auf
die rückseitige Oberfläche 66 des
Dichtringes 24 einwirkt, so daß der höhere Druck auf die rückseitige
Oberfläche 66 den
Dichtring 24 entgegen der Federkraft der Schraubenfeder 74 drückt. Der
kontinuierlich sich weiteraufbauende Druck verschiebt den Dichtring 24 näher an die
Dichtfläche 20 bis
sich ein Zwischenraum C zwischen der Dichtkuppel 44 und
der Dichtscheibe 18 kleiner als der Zwischenraum B zwischen der
Begrenzungsrippe 48 und der stirnseitigen Oberfläche 50 der
Dichtscheibe einstellt. Die Dichtringanordnung 22 gleitet
dabei gegen die Dichtscheibe 18, und zwar gegen die Kraft
der Schraubenfedern 74 und gegen die Reibungskräfte, welche
in der Durchgangsbohrung der sekundären Dichtringelemente 40 auf
der Oberfläche 54 wirksam
sind, und sich die turbulente Strömung im Spalt 21 sich
einstellt. Die Dichtringanordnung 22 wird durch die Vorsprünge 56 zentriert,
welche mit verhältnismäßig enger
Passung in die Schlitze 58 an den Vorsprung 60 der
Nabenanordnung 36 eingreifen. Damit wird der normale Abdichtbetrieb
erreicht, bei welchem der Druckanstieg in der Hochdruckkammer an
den Spaltabstand C angepaßt
ist und im wesentlichen die Druckdifferenz zwischen der Hochdruckkammer
und der Niederdruckkammer 14 aufrechterhält.
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Im
Falle eines plötzlichen
Druckabfalles in der Hochdruckkammer 12 wird die auf die
rückseitige Oberfläche 66 des
Dichtringes 24 wirksame Kraft von der Kraft der Schraubenfedern 74 überwunden,
so daß sich
die Dichtringanordnung 22 von der Dichtscheibe 18 wegbewegt
und der Spalt C bis zu einem Punkt sich vergrößert, wo er größer als
der Spalt B zwischen der Begrenzungsrippe 48 und der Stirnfläche 50 der
Dichtscheibe 18 ist. In dieser Situation nimmt die Dichtringanordnung 22 die
Position gemäß 1B ein.