EP2850346A1 - Wellendichtungsanordnung - Google Patents

Wellendichtungsanordnung

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Publication number
EP2850346A1
EP2850346A1 EP13745024.3A EP13745024A EP2850346A1 EP 2850346 A1 EP2850346 A1 EP 2850346A1 EP 13745024 A EP13745024 A EP 13745024A EP 2850346 A1 EP2850346 A1 EP 2850346A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sealing
shaft seal
ssm
boundary line
sealing surface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13745024.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Kirchner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2850346A1 publication Critical patent/EP2850346A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/44—Free-space packings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/164—Sealings between relatively-moving surfaces the sealing action depending on movements; pressure difference, temperature or presence of leaking fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3404—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal
    • F16J15/3408—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface
    • F16J15/3412—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with cavities
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/40—Sealings between relatively-moving surfaces by means of fluid

Definitions

  • the invention relates to a shaft seal arrangement having a shaft extending along an axis and a stator, wherein a rotating sealing ring is arranged on the shaft and a static sealing ring is arranged on the stator, the rotating sealing ring a rotating sealing surface and the static sealing ring a standing sealing surface, wherein these sealing surfaces are arranged such that they face each other sealingly in a substantially radial plane, wherein the shaft seal assembly is formed as non-contact gas seal, wherein at least one of the sealing surfaces has a non-rotationally symmetrical surface contouring.
  • Gas seals are for turbomachines, in particular compressors, which are designed as turbomachinery, at higher pressures due to the relatively low leakage, the preferred sealing form. For example. Compared to conventional labyrinth seals, the order of magnitude lower leakage of the dry gas seal allows a significant increase in the efficiency of the corresponding turbomachine.
  • Labyrinth seals are the modern dry gas seals comparatively demanding in terms of operating conditions. Safe operation of dry gas seals is only possible if a sliding film of dry gas between the two sealing rings is constantly supplied with gas of correspondingly high quality of preparation.
  • the gas for supplying the gas film between the sealing rings on the one hand must be sufficiently dried and on the other hand also relatively free of foreign bodies.
  • the auxiliary systems required for the gas treatment for example, a process gas compressor, may well be of the order of magnitude of the actual compressor in terms of their space requirements and the investment costs.
  • EP 1 275 864 A 1 which also deals with shaft seals. Those who discuss gas seals are dependent on a high quality of the gasification of the gas and regularly bound by direction of rotation.
  • the invention has set itself the task of creating a shaft seal arrangement of a gas seal, which requires comparatively less treatment effort with respect to the sealing gas.
  • a shaft seal arrangement according to the invention means an arrangement comprising a shaft seal which is also suitable for higher rotational speeds of the rotor.
  • These include, for example, dry gas seals for high-speed turbo compressors. Unsuitable for this purpose are, for example, stuffing boxes.
  • the dry gas seal is particularly suitable for the high-speed rotation due to the contactlessness of the two opposing sealing surfaces. The contactlessness is usually present only when a gas sliding film between the two opposite sealing surfaces from a certain
  • Boundary speed has formed. While the claim form stipulates that one sealing ring is standing and the other Sealing ring is provided for rotation, it is only relevant for the shaft seal assembly according to the invention that a relative rotation between the stationary and the rotating sealing ring takes place. In this respect, no absolute state of motion or rest is claimed. Of particular importance is the surface contouring at least one of the two opposite sealing surfaces. This surface contouring is inventively introduced by a targeted manufacturing in the sealing surface and not the result of lying in the manufacturing tolerance ripple of the sealing surface. The surface contouring according to the invention is also non-rotationally symmetrical, wherein a rotationally symmetric surface contouring is not excluded by the invention as an additional feature.
  • an advantageous development of the invention provides that at least one of the two opposing sealing surfaces, preferably both opposing sealing surfaces, have a specific rotationally symmetrical convex shape.
  • the convex shape is preferably so pronounced that a targeted gaping of the radial edge regions in the case of central radial abutment of the two sealing surfaces against one another is present from approximately 1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the gap is 1.5 to 3 ⁇ .
  • the advantage of the surface contouring according to the invention lies in the fact that-unlike in the prior art-no dirt can accumulate in the surface contour, which in particular could influence the lift-off properties of the shaft seal arrangement In operation, it can be kept free of the dirt of the sealing gas because it can only badly adhere to the geometry according to the invention.
  • the relatively sharp edges or discontinuities of the surface contouring or sealing surface which are usual in the prior art lead to small eddies or "dead water”. Flows that favor the deposition of particles in the contouring or their contamination. Accordingly, in conventional surface contouring geometry a particular effort in the preparation of the sealing gas to be invested, which effort can be significantly lower in the geometry of the invention, since the new shaft seal assembly is more tolerant to contamination due to their self-cleaning.
  • a continuous course means that the corresponding course line or course contour is continuously differentiable in the indicated direction. Accordingly, there is a discrete - ie finite - derivative value at the locations of the required continuity. In other words, the course has no corners or edges with respect to the indicated course direction in the corresponding area.
  • a further advantageous development provides that the defined bottom surface of the surface contouring or depression in the radial direction is twice continuously differentiable.
  • a further advantageous embodiment provides that the bottom surface of the recess in the radial direction and in the tangential direction is twice continuously differentiable.
  • the sealing surface in the radial and / or tangential direction in the region of the boundary line is simply continuously differentiable.
  • a further advantageous development provides that the sealing surface in the region of the boundary line and especially on the boundary line is twice continuously differentiable.
  • All directional information refer to a coordinate system from the axis in the direction of the shaft axis, a radial direction perpendicular thereto and a direction tangential to these two directions.
  • All directional information refer to a coordinate system from the axis in the direction of the shaft axis, a radial direction perpendicular thereto and a direction tangential to these two directions.
  • a further advantageous embodiment provides that the depression attaches steadily to the boundary line on the other sealing surface. This training additionally favors a minimization of the tendency to fouling. If, instead, a reduction in the "lift-off" speed is to be effected, it may be expedient if the recess in the region of the boundary line adjoins the remaining sealing surface discontinuously.
  • the depressions are symmetrical in relation to a radial plane, so that a rotation direction-independent
  • Boundary line in the respective sealing surface forms a closed line.
  • the boundary line may begin and end at a boundary edge of the respective sealing surface, thereby decreasing the lift-off speed.
  • the boundary line of the depression starts and ends at a boundary edge of the sealing surface or has a first end there and has a second end (in fact the boundary line is not directed) - ie forms an open geometry - it is expedient the boundary line (in the plan view of the sealing surface) has a parable shape. Also from the point of view of the production of the surface contouring, it is expedient if the depression has the geometry of a conic section (ie circle or ellipse or parabola or triangle).
  • these contours can be used to achieve good "lift-off" properties and, on the other hand, they can cause good contamination tolerances, since the boundary edge of the sealing geometry is basically a circle with a relative degree is a large radius and not a straight line, the recesses are only under the proviso that the outer contour or the boundary edge is to be regarded with its large radius as a straight line and the section of a cone or a Kustrstump- fes.
  • the bottom surface of the depression defined by means of the boundary line has a continuous course, in particular rising radially.
  • the continuous radial course means that a function of the depth of the depression as a function of the radius for each circumferential position fulfills the requirements of continuity to a real-valued function. These requirements are defined, for example, with the epsilon-delta criterion. Preferably and according to the invention, this requirement applies to all circumferential positions of the depression, including the boundary line, the boundary line lying in the sealing plane.
  • the recess attaches obliquely to the other sealing surface on the entire boundary line (LL), which attaches the depression with a depth of 0 to the other sealing surface along the entire boundary line.
  • An advantageous development of the invention provides that the bottom surface of the recesses has uneven sections. This makes it possible to improve the sliding properties.
  • the bottom surface of the recesses may have flat sections.
  • the sealing surface outside the recesses only on planar portions.
  • the sealing surface is completely flat outside the recesses - in the frame the usual at this point manufacturing tolerances. In this way, the sliding properties are further improved.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that for the depth T of the depression to the other bottom surface is 3 * (10 ⁇ -6) m ⁇ T ⁇ 5 * (10 ⁇ -6) m.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that a maximum extent of the recess in the circumferential direction is between 10-40 mm.
  • a further advantageous development of the invention provides that at least one boundary line, preferably all boundary lines in the sealing surface itself do not form a closed line.
  • a further advantageous development of the invention provides that, in the case of a non-closed boundary line which adjoins the outer diameter of the sealing surface, an extension of the depression in the circumferential direction is between 10-40 mm at the outer diameter of the sealing surface.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that in a parabolic boundary line of the depression, the bottom surface has parabolic height height lines or lines of equal depths.
  • boundary lines identify straight sections, which run at least partially obliquely to a radial beam or a radial.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a
  • FIGS. 2.6 each show a perspective and schematic illustration of a sealing surface according to the invention with a depression
  • FIGS. 3, 7, 12, 13 in each case a section in the circumferential direction of a plan view of a sealing ring with indentations according to the invention
  • FIG. 1 shows a shaft seal arrangement SSM according to the invention with a shaft SH extending along an axis X.
  • directional data - such as axial, radial, tangential or circumferential direction - in this document refers to this axis X.
  • a plane for example a sealing plane of a shaft seal is usually characterized in its extension by means of the surface normals or equivalently, at least two spatial directions are specified which are suitable for defining a plane.
  • an axial plane extends perpendicular to the axis (eg, shaft axis X) so that this plane extends radially and circumferentially.
  • the shaft seal assembly SSM further includes a shaft sleeve SSL fixedly attached to the shaft SH. Together with the shaft sleeve SSL and the shaft SSH, a rotating sealing ring RSR also rotates. The rotating one
  • Sealing ring RSR opposite is a static seal SSR, which is rotatably connected to the stator ST.
  • the static sealing ring SSR has a standing sealing surface SSS, which is located in a substantially radial sealing plane SPL of a rotating sealing surface RSS of the rotating sealing ring RSR opposite.
  • An elastic spring ESP biases the standing sealing surface SSS against the rotating sealing surface RSS.
  • the rotating sealing surface RSS and the standing sealing surface SSS if it does not depend on their distinction, also simply referred to as the sealing surface 2SS.
  • At least one of the sealing surfaces 2SS is provided with a non-rotationally symmetric surface contouring SC introduced by targeted production.
  • the surface contouring SC has depressions DP, with the depressions DP having a boundary line LL to the other sealing surface 02SS.
  • the depression DP within the boundary line LL is defined by a bottom surface FS. wrote, as shown in perspective in the figures 2, 6.
  • FIGS. 2 to 5 essentially show an embodiment of the recess DP according to the invention. Neglecting the curvature of the radially outer boundary edge on the side of the sealing surface 2SS of the sealing ring and considers this due to the large radius as a straight line so describes the recess DP of Figure 2, in particular in the projection of Figure 3, a triangle. In particular, in the projection of Figure 3 it is clear that this triangle is divided into two equal halves through the section IV, so that a symmetry of the depression DP is formed with respect to a radial section. This means, as in the other embodiments, an independence of the sealing ring 2SS, or obtained
  • the depression DP sets with the boundary line LL on the other sealing surface 02SS with a depth of 0, so it is continuous in approach.
  • This grounding applies in particular to the course of the depression DP with regard to the radial section IV or in accordance with the illustration of FIG. 4.
  • the bottom surface FS of the depressions DP itself is continuous in the region of the radial section IV as well as with regard to all other possible radial cuts. This consistency promotes minimization of the tendency to deposit contaminants.
  • FIGS. 6 to 11 show an arrangement whose geometry of the depression DP in the bottom surface FS is continuous not only with respect to all radial progressions but also with respect to the tangential progressions. Furthermore, this geometry - in the sense of a preferred embodiment of the invention - as evidenced by Figure 10 and Figure 8 in the radial and tangential direction continuously derivable.
  • a particular embodiment is shown in FIG. 11, according to which the depression DP is also continuous in the region of the boundary line LL or the transition of the bottom surface FS to the other sealing surface 02SS not only in the approach of the course is.
  • the bottom surface FS preferably comprises in radial section at least one point of inflection WP.
  • Such a continuous and derived continuous geometry can be provided to minimize the tendency to foul the entire boundary line LL.
  • the boundary line LL in the above simplified geometric view (large radius of the boundary edge of the sealing ring is approximately a straight line) in relation to the other dimensions of the depression be designed triangular or as two half-lines, the angle at the radially innermost point of the recess DP be educated.
  • Another preferred embodiment of the invention provides that the boundary line LL is designed as the geometry of a conic section or truncated cone section.
  • the boundary line LL can be formed as a closed circle (FIG. 12) or as an ellipse (FIG. 13) or as a parabola (FIG. 6, FIG. 7) or as a triangle (FIG. 3, 2).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sealing Devices (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtungsanordnung (SSM) mit einer sich entlang einer Achse (X) erstreckenden Welle (SH) und einem Stator (ST), wobei an der Welle (SH) ein rotierender Dichtring (RSR) angeordnet ist und an dem Stator (ST) ein statischer Dichtring (SSR) angeordnet ist, wobei der rotierende Dichtring (RSR) eine rotierende Dichtfläche (RSS) und der stehende Dichtring (SSR) eine stehende Dichtfläche (SSS) aufweist, wobei diese Dichtflächen (2SS) derart angeordnet sind, dass sie sich in einer im Wesentlichen radialen Dichtebene (SPL) dichtend gegenüberstehen, wobei die Wellendichtungsanordnung (SSM) als berührungslose Gasdichtung ausgebildet ist, wobei mindestens eine der Dichtflächen (2SS) eine nicht-rotationssymmetrische Oberflächenkonturierung (SC) aufweist. Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Wellendichtungsanordnung einer Gasdichtung zu schaffen, welche vergleichsweise weniger Aufbereitungsaufwand hinsichtlich des Dichtungsgases erfordert. Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Oberflächenkonturierung (SC) Vertiefungen (DP) in der Dichtfläche (2SS) umfasst, wobei die Vertiefungen (DP) jeweils einer Begrenzungslinie (LL) zu der sonstigen Dichtfläche (O2SS) aufweist und eine mittels der Begrenzungslinie (LL) definierte Bodenfläche (FS) der Vertiefung (DP) einen stetigen radialen Verlauf aufweist, wobei die Vertiefung (DP) an der Begrenzungslinie (LL) mit einer Tiefe von 0 an der sonstigen Dichtfläche (O2SS) ansetzt.

Description

Beschreibung
Wellendichtungsanordnung Die Erfindung betrifft eine Wellendichtungsanordnung mit einer sich entlang einer Achse erstreckenden Welle und einem Stator, wobei an der Welle ein rotierender Dichtring angeordnet ist und an dem Stator ein statischer Dichtring angeordnet ist, wobei der rotierende Dichtring eine rotierende Dichtflä- che und der statische Dichtring eine stehende Dichtfläche aufweist, wobei diese Dichtflächen derart angeordnet sind, dass sie sich in einer im Wesentlichen radialen Ebene dichtend gegenüberstehen, wobei die Wellendichtungsanordnung als berührungslose Gasdichtung ausgebildet ist, wobei mindestens eine der Dichtflächen eine nicht-rotationssymmetrische Ober- flächenkonturierung aufweist.
Gasdichtungen sind für Strömungsmaschinen, insbesondere Verdichter, die als Turbomaschinen ausgebildet sind, bei höheren Drücken infolge der vergleichsweise geringen Leckage die bevorzugte Dichtungsform. Bspw. im Vergleich zu herkömmlichen Labyrinthdichtungen ermöglicht die um eine Größenordnung niedrigere Leckage der Trockengasdichtung einen signifikanten Wirkungsgradzuwachs der entsprechenden Turbomaschine.
Gegenüber den verhältnismäßig einfach aufgebauten
Labyrinthdichtungen sind die modernen Trockengasdichtungen vergleichsweise anspruchsvoll hinsichtlich der Betriebsbedingungen. Ein sicherer Betrieb von Trockengasdichtungen ist nur möglich, wenn ein Gleitfilm aus trockenem Gas zwischen den beiden Dichtringen ständig mit Gas entsprechend hoher Aufbereitungsqualität versorgt wird. Das Gas zur Versorgung des Gasfilms zwischen den Dichtringen muss einerseits hinreichend getrocknet sein und andererseits auch verhältnismäßig frei von Fremdkörpern. Die für die Gasaufbereitung erforderlichen Hilfssysteme bspw. eines Prozessgasverdichters können hinsichtlich ihres Raumbedarfs und der Investitionskosten durchaus in der Größenordnung des eigentlichen Verdichters liegen. Aus der DE 690 19 296 T2 , der DE 692 04 703 T2 , der DE 693 03 749 T2, der US 5,222,743 AI und der US 6,152,452 AI sind jeweils Wellendichtungsanordnungen bekannt, die infolge ihrer Funktionsweise auf eine hohe Aufbereitungsgüte des Dichtungsgases angewiesen sind.
Aus der Recherche zu der DE 10 2012 214 276.2 sind bereits die Dokumente DE 19 64 150 A, DE 202 16587 Ul ,
US 2003 / 0 209 859 A 1 , US 6 341 782 Bl, DE 17 75 596 A, DE 2618682 AI, DE 38 39 106 A 1, DE 29 28 504 A 1,
EP 1 275 864 A 1 bekannt, die sich ebenfalls mit Wellendichtungen beschäftigen. Diejenigen, die davon Gasdichtungen thematisieren, sind auf eine hohe Aufbereitungsgüte des Dichtungsgases angewiesen und regelmäßig drehrichtungsgebunden .
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Wellendichtungsanordnung einer Gasdichtung zu schaffen, welche vergleichsweise weniger Aufbereitungsaufwand hinsichtlich des Dichtungsgases erfordert.
Zur erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass eine Wellendichtungsanordnung der eingangs genannten Art die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 zusätzlich aufweist .
Eine Wellendichtungsanordnung gemäß der Erfindung meint eine Anordnung, die eine Wellendichtung umfasst, die auch für höhere Drehgeschwindigkeiten des Rotors geeignet ist. Hierzu zählen bspw. Trockengasdichtungen für hochtourige Turbover- dichter. Ungeeignet für diesen Einsatzzweck sind bspw. Stopfbuchsen. Die besondere Eignung für die hochtourige Drehgeschwindigkeit erlangt die Trockengasdichtung aufgrund der Be- rührungslosigkeit der beiden zueinander gegenüberliegend angeordneten Dichtflächen. Die Berührungslosigkeit liegt in der Regel erst vor, wenn sich ein Gasgleitfilm zwischen den beiden gegenüberliegenden Dichtflächen ab einer bestimmten
Grenzgeschwindigkeit ausgebildet hat. Während die Anspruchsfassung festlegt, dass ein Dichtring stehend und der andere Dichtring zur Drehung vorgesehen ist, ist es für die Wellendichtungsanordnung gemäß der Erfindung nur maßgeblich, dass eine Relativdrehung zwischen dem stehenden und dem rotierenden Dichtring erfolgt. Insofern wird kein absoluter Bewe- gungs- oder Ruhezustand beansprucht. Von besonderer Bedeutung ist die Oberflächenkonturierung mindestens eine der beiden gegenüberliegenden Dichtflächen. Diese Oberflächenkonturierung ist erfindungsgemäß durch eine gezielte Fertigung in die Dichtungsoberfläche eingebracht und nicht etwa Resultat einer in der Fertigungstoleranz liegenden Welligkeit der Dichtungsfläche. Die erfindungsgemäße Oberflächenkonturierung ist außerdem nicht-rotationssymmetrisch, wobei eine rotationssymmetrische Oberflächenkonturierung durch die Erfindung als zusätzliches Merkmal nicht ausgeschlossen ist. Insbesondere sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass mindestens eine der beiden gegenüberliegenden Dichtflächen, bevorzugt beide gegenüberliegenden Dichtflächen, eine gezielte rotationssymmetrische konvexe Form aufweisen. Die konvexe Form ist hierbei bevorzugt derart ausgeprägt, dass eine ge- zielte Klaffung der radialen Randbereiche bei mittiger radialer Anlage der beiden Dichtflächen aneinander von etwa 1 μπι bis 10 μπι vorliegt. Bevorzugt beträgt die Klaffung 1,5 bis 3 μπι. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Oberflächenkonturierung liegt darin, dass - anders als im Stand der Technik - sich kein Schmutz in der Oberflächenkonturierung ansammeln kann, der insbesondere die „lift-off "-Eigenschaften der Wellendichtungsanordnung beeinflussen könnte. Die erfindungsgemäßen Oberflächenkonturierungen sind in der Lage, sich im Betrieb von dem Schmutz des Dichtungsgases freizuhalten, weil dieser sich nur schlecht an der erfindungsgemäßen Geometrie anlagern kann. Die im Stand der Technik üblichen verhältnismäßig scharfen Kanten bzw. Unstetigkeiten der Oberflächenkonturie- rung bzw. Dichtfläche führen zu kleinen Wirbeln bzw. „Totwasser" -Strömungen, die die Anlagerung von Partikeln in der Kon- turierung bzw. deren Verschmutzung begünstigen. Dem entsprechend muss bei herkömmlichen Oberflächenkonturierungsgeomet- rien ein besonderer Aufwand in die Aufbereitung des Dichtungsgases investiert werden, welcher Aufwand bei der erfindungsgemäßen Geometrie signifikant geringer ausfallen kann, da die neue Wellendichtungsanordnung toleranter gegenüber Verschmutzungen infolge ihrer Selbstreinigung ist.
Da der stetige radiale Verlauf der Bodenfläche der erfindungsgemäßen Vertiefung in der Dichtfläche schon einen bedeutenden Fortschritt hinsichtlich der Selbstreinigung der
Dichtfläche mit sich bringt, wird die Selbstreinigung zusätzlich verbessert, wenn die Bodenflächen außerdem einen stetigen tangentialen Verlauf aufweist.
Im Sinne der Erfindung bedeutet ein stetiger Verlauf, dass die entsprechende Verlaufslinie oder Verlaufskontur in der angegebenen Richtung stetig differenzierbar ist. An den Stellen der geforderten Stetigkeit liegt dementsprechend ein diskreter - also endlicher - Ableitungswert vor. Mit anderen Worten: der Verlauf weist in dem entsprechenden Bereich keine Ecken oder Kanten hinsichtlich der angegebenen Verlaufsrichtung auf. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die definierte Bodenfläche der Oberflächenkonturierung bzw. Vertiefung in radialer Richtung zweifach stetig differenzierbar ist. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Bodenfläche der Vertiefung in radialer Richtung und in tangentialer Richtung zweifach stetig differenzierbar ist. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Dichtfläche in radialer und/oder tangentialer Richtung im Bereich der Begrenzungslinie einfach stetig differenzierbar ist. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Dichtfläche im Bereich der Begrenzungslinie und speziell auf der Begrenzungslinie zweifach stetig differenzierbar ist.
Die vorhergehend angegebenen Merkmale hinsichtlich stetiger Differenzierbarkeit sind in ihrer Reihenfolge abgestuft zunehmend geeignet, eine Verschmutzungstendenz zu minimieren. Sämtliche Richtungsangaben, einschließlich der Angaben zur Differenzierbarkeit , beziehen sich auf ein Koordinatensystem aus der Achse in Richtung der Wellenachse, eine dazu senkrechte radiale Richtung und eine zu diesen beiden Richtungen tangentiale Richtung. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Vertiefung an der Begrenzungslinie an der sonstigen Dichtfläche stetig ansetzt. Diese Ausbildung begünstigt zusätzlich eine Minimierung der Verschmutzungsneigung. Soll stattdessen eine Erniedrigung der „lift-off"- Drehzahl bewirkt werden, kann es zweckmäßig sein, wenn die Vertiefung im Bereich der Begrenzungslinie an der übrigen Dichtfläche unstetig ansetzt.
Zur verbesserten Modularisierung der erfindungsgemäßen Wel- lendichtungsanordnung ist es zweckmäßig, wenn die Vertiefungen hinsichtlich einer radialen Ebene in sich symmetrisch ausgebildet sind, so dass eine drehrichtungsunabhängige
Dichtwirkung und „lift-off "-Drehzahl entsteht. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die
Begrenzungslinie in der jeweiligen Dichtfläche eine geschlossene Linie bildet. Alternativ kann die Begrenzungslinie an einer Begrenzungskante der jeweiligen Dichtfläche beginnen und enden, wodurch die „lift-off "-Drehzahl herabgesetzt wird.
In dem Fall, dass die Begrenzungslinie der Vertiefung an einer Begrenzungskante der Dichtfläche beginnt und endet, bzw. dort ein erstes Ende hat und ein zweites Ende hat (im Grunde ist die Begrenzungslinie nicht gerichtet) - also eine offene Geometrie bildet - ist es zweckmäßig, dass die Begrenzungslinie (in der Draufsicht auf die Dichtfläche) eine parable Form aufweist. Auch aus Sicht der Fertigung der Oberflächenkontu- rierung ist es zweckmäßig, wenn die Vertiefung die Geometrie eines Kegelschnitts (also Kreis oder Elypse oder Parabel oder Dreieck) aufweist. Mit diesen Konturen lassen sich einerseits gute „lift-off "-Eigenschaften erzielen und andererseits gute Verschmutzungstoleranzen bewirken. Da die Begrenzungskante der Dichtgeometrie im Grunde ein Kreis mit verhältnismäßig großem Radius ist und keine gerade Linie, sind die Vertiefungen nur unter der Maßgabe, dass die Außenkontur bzw. die Begrenzungskante mit ihrem großen Radius als gerade Linie anzusehen ist und der Schnitt eines Kegels bzw. eines Kegelstump- fes .
Erfindungsgemäß und besonders zweckmäßig weist die mittels der Begrenzungslinie definierte Bodenfläche der Vertiefung einen stetigen Verlauf, insbesondere steigen radialen Verlauf auf. Unter einem stetigen Verlauf ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass der Verlauf sprungfrei ist. Der stetige radiale Verlauf bedeutet, dass eine Funktion der Tiefe der Vertiefung in Abhängigkeit von dem Radius für jeweils eine Umfangsposition die Anforderungen der Stetigkeit an eine reellwertige Funktion erfüllt. Diese Anforderungen sind beispielsweise mit dem Epsilon-Delta-Kriterium definiert. Bevorzugt und erfindungsgemäß gilt diese Anforderung für alle Um- fangspositionen der Vertiefung, einschließlich der Begrenzungslinie, wobei die Begrenzungslinie in der Dichtebene liegt.
Hierbei ist es sinnvoll und erfindungsgemäß, dass die die Vertiefung an der gesamten Begrenzungslinie (LL) derart schräg an der sonstigen Dichtfläche ansetzt, das die Vertie- fung mit einer Tiefe von 0 an der sonstigen Dichtfläche entlang der gesamten Begrenzungslinie ansetzt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Bodenfläche der Vertiefungen unebene Abschnitte aufweist. Hierdurch ist eine Verbesserung der Gleiteigenschaften ermöglicht .
Alternativ oder zusätzlich kann aus der gleichen Motivation heraus die Bodenfläche der Vertiefungen ebene Abschnitte aufweisen .
Bevorzugt weist die Dichtfläche außerhalb der Vertiefungen nur ebene Abschnitte auf. In anderen Worten: die Dichtfläche ist außerhalb der Vertiefungen vollständig eben - im Rahmen der an dieser Stelle üblichen Fertigungstoleranzen. Auf diese Weise werden die Gleiteigenschaften zusätzlich verbessert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an der Begrenzungslinie die Bodenfläche der Vertiefung an der sonstigen Dichtfläche mit einer Schrägheit ansetzt, wobei diese Schrägheit definiert ist als ein Winkel ALPHA zwischen der sonstige Dichtfläche zu einer Tangente an der Bodenfläche der Vertiefung direkt an der Begrenzungslinie und senkrecht zu der Begrenzungslinie ALPHA<=0 , 030.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für die Tiefe T der Vertiefung zu der sonstigen Bodenfläche gilt 3* (10^-6) m < T < 5* (10^-6) m.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine maximale Erstreckung der Vertiefung in Um- fangsrichtung zwischen 10-40mm beträgt. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine Begrenzungslinie, bevorzugt alle Begrenzungslinien in der Dichtfläche selbst keine geschlossene Linie bilden. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass bei einer an dem Außendurchmesser der Dichtfläche ansetzenden nicht geschlossenen Begrenzungslinie eine Erstreckung der Vertiefung in Umfangsrichtung zwischen 10-40mm beträgt am Außendurchmesser der Dichtfläche beträgt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass bei einer parabelförmigen Begrenzungslinie der Vertiefung die Bodenfläche parabelförmige Höhenniveaulinien bzw. Linien gleicher Tiefen aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Begrenzungslinien gerade Abschnitte ausweisen, die zumindest teilweise schräg zu einem Radialstrahl bzw. einer Radialen verlaufen.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Zeichnungen zur beispielhaften Verdeutlichung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1: eine perspektivische Darstellung einer
Wellendichtungsanordnung gemäß der Erfindung,
Figuren 2,6: jeweils eine perspektivische und sche- matische Darstellung einer erfindungsgemäßen Dichtfläche mit Vertiefung,
Figuren 3,7, 12, 13: jeweils einen Abschnitt in Umfangsrich- tung einer Draufsicht eines Dichtungs- rings mit erfindungsgemäßen Vertiefungen,
Figuren 4,9,10, 11: jeweils ein radialer Schnitt durch
Dichtungsringe gemäß der Figuren 3 und 7, wobei die dort mit römischen Ziffern bezeichneten Schnitte in ihrem Zahlenbetrag jeweils der Figurennummerierung entsprechen, Figuren 5,8: jeweils eine Sicht von radial außen auf die Dichtringumfangsegmente der Figuren 3 und 7, wobei der gleiche Zusammenhang hinsichtlich der römischen Ziffern und der Figurennummerierung gegeben ist. Figur 1 zeigt eine Wellendichtungsanordnung SSM gemäß der Erfindung mit einer sich entlang einer Achse X erstreckenden Welle SH. Wenn es nicht anders angegeben ist, beziehen sich Richtungsangaben - wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung - in diesem Dokument auf diese Achse X. Eine Ebene, zum Beispiel eine Dichtebene einer Wellendichtung ist in der Regel in ihrer Erstreckung gekennzeichnet mittels der Flächennorma- len oder dazu gleichbedeutend sind mindestens zwei Raumrichtungen angegeben, die geeignet sind eine Ebene zu definieren. So erstreckt sich beispielsweise eine axiale Ebene senkrecht zu der Achse (z.B. Wellen-Achse X), so dass diese Ebene sich radial und in Umfangsrichtung erstreckt .
Ein gegenüber der Welle SH ruhender Stator ST umgibt die Welle SH . Die Wellendichtungsanordnung SSM umfasst weiterhin eine Wellenhülse SSL, die an der Welle SH fest angebracht ist. Gemeinsam mit der Wellenhülse SSL und der Welle SSH dreht sich auch ein rotierender Dichtring RSR. Dem rotierenden
Dichtring RSR gegenüber befindet sich ein statischer Dichtring SSR, der drehfest mit dem Stator ST verbunden ist. Der statische Dichtring SSR weist eine stehende Dichtfläche SSS auf, die sich in einer im Wesentlichen radialen Dichtebene SPL einer rotierenden Dichtfläche RSS des rotierenden Dichtrings RSR gegenüber befindet. Eine elastische Feder ESP spannt die stehende Dichtfläche SSS gegen die rotierende Dichtfläche RSS. Im Folgenden werden die rotierende Dichtfläche RSS und die stehende Dichtfläche SSS, wenn es auf deren Unterscheidung nicht ankommt, auch schlicht als Dichtfläche 2SS bezeichnet. Mindestens eine der Dichtflächen 2SS ist mit einer durch gezielte Fertigung eingebrachten nicht- rotationssymmetrischen Oberflächenkonturierung SC versehen. Die Oberflächenkonturierung SC weist Vertiefungen DP auf, wo- bei die Vertiefungen DP eine Begrenzungslinie LL zu der sonstigen Dichtfläche 02SS aufweist. Die Vertiefung DP innerhalb der Begrenzungslinie LL wird durch eine Bodenfläche FS be- schrieben, wie dies auch in den Figuren 2, 6 perspektivisch wiedergegeben ist.
Die Figuren 2 bis 5 zeigen im Wesentlichen eine Ausgestaltung der Vertiefung DP gemäß der Erfindung. Vernachlässigt man die Krümmung der radial äußeren Begrenzungskante auf der Seite der Dichtfläche 2SS des Dichtrings und betrachtet diese infolge des großen Radius als Gerade so beschreibt die Vertiefung DP der Figur 2, insbesondere in der Projektion der Figur 3, ein Dreieck. Insbesondere in der Projektion der Figur 3 wird deutlich, dass dieses Dreieck in zwei gleiche Hälften durch den Schnitt IV geteilt wird, so dass eine Symmetrie der Vertiefung DP hinsichtlich eines Radialschnitts entsteht. Dies bedeutet, wie in den übrigen Ausführungsbeispielen auch, eine Unabhängigkeit des Dichtrings 2SS, bzw. der erzielten
Dichtwirkung, gegenüber der Drehrichtung der erfindungsgemäßen Wellendichtungsanordnung SSM. Die Vertiefung DP setzt mit der Begrenzungslinie LL an der sonstigen Dichtfläche 02SS mit einer Tiefe von 0 an, ist also im Ansatz stetig. Diese Ste- tigkeit gilt insbesondere für den Verlauf der Vertiefung DP hinsichtlich des Radialschnitts IV bzw. gemäß der Darstellung der Figur 4. Die Bodenfläche FS der Vertiefungen DP selbst ist im Bereich des Radialschnitts IV wie auch hinsichtlich aller anderen möglichen Radialschnitte in sich stetig. Diese Stetigkeit begünstigt die Minimierung der Neigung zur Anlagerung von Verschmutzungen.
Die Figuren 6 bis 11 zeigen eine Anordnung, deren Geometrie der Vertiefung DP in der Bodenfläche FS nicht nur hinsicht- lieh sämtlicher Radialverläufe stetig ist sondern auch hinsichtlich der tangentialen Verläufe. Weiterhin ist diese Geometrie - im Sinne einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung - ausweislich der Figur 10 und Figur 8 auch in radialer und tangentialer Richtung stetig ableitbar. Eine besonde- re Ausgestaltung zeigt die Figur 11, wonach die Vertiefung DP auch im Bereich der Begrenzungslinie LL bzw. der Übergang der Bodenfläche FS zu der sonstigen Dichtfläche 02SS nicht nur im Ansatz des Verlaufs stetig ist sondern auch stetig ableitbar ist. Hierzu umfasst die Bodenfläche FS im Schnitt bevorzugt radial mindestens einen Wendepunkt WP . Eine derartige stetige und abgeleitete stetige Geometrie kann zur Minimierung der Verschmutzungsneigung der gesamten Begrenzungslinie LL vorge- sehen sein.
Die Begrenzungslinie LL kann in der vorbeschriebenen vereinfachten geometrischen Betrachtungsweise (großer Radius der Begrenzungskante des Dichtrings ist im Verhältnis zu den sonstigen Abmessungen der Vertiefung näherungsweise eine Gerade) dreieckig gestaltet sein bzw. als zwei Halbgeraden, die sich im Winkel am radial innersten Punkt der Vertiefung DP treffen ausgebildet sein. Eine andere bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass die Begrenzungslinie LL als Ge- ometrie eines Kegelschnitts bzw. KegelstumpfSchnitts ausgebildet ist. Die Begrenzungslinie LL kann als geschlossener Kreis (Figur 12) oder als Ellipse (Figur 13) oder als Parabel (Figur 6, Figur 7) oder als Dreieck (Figur 3, 2) ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Wellendichtungsanordnung (SSM) mit einer sich entlang einer Achse (X) erstreckenden Welle (SH) und einem
Stator (ST) , wobei an der Welle (SH) ein rotierender Dichtring (RSR) angeordnet ist und an dem Stator (ST) ein statischer Dichtring (SSR) angeordnet ist, wobei der rotierende Dichtring (RSR) eine rotierende axiale Dichtfläche (RSS) und der stehende Dichtring (SSR) eine stehende axiale
Dichtfläche (SSS) aufweist, wobei diese axialen Dichtflächen (2SS) derart angeordnet sind, dass sie sich in einer im Wesentlichen axialen Dichtebene (SPL) dichtend gegenüberstehen, wobei die Wellendichtungsanordnung (SSM) als berührungslose Gasdichtung ausgebildet ist, wobei mindestens eine der Dichtflächen (2SS) eine nicht- rotationssymmetrische Oberflächenkonturierung (SC) aufweist ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberflächenkonturierung (SC) Vertiefungen (DP) in der Dichtfläche (2SS) umfasst, wobei die Vertiefungen (DP) jeweils einer Begrenzungslinie (LL) zu der sonstigen Dichtfläche (02SS) aufweist und eine mittels der Begrenzungslinie (LL) definierte Bodenfläche (FS) der Vertiefung (DP) einen stetigen Verlauf aufweist, wobei die Vertiefung (DP) an der Begrenzungslinie (LL) mit einer Tiefe von 0 an der sonstigen Dichtfläche (02SS) ansetzt.
2. Wellendichtungsanordnung (SSM) nach Anspruch 1,
wobei ein stetiger tangentialer Verlauf die Bodenfläche (FS) kennzeichnet.
3. Wellendichtungsanordnung (SSM) nach Anspruch 1,
wobei die Vertiefung (DP) an der Begrenzungslinie (LL) an der sonstigen Dichtungsfläche (02SS) stetig ansetzt.
4. Wellendichtungsanordnung (SSM) nach Anspruch 2 oder 1, wobei die Vertiefung (DP) an der Begrenzungslinie (LL) an der sonstigen Dichtfläche (02SS) unstetig ansetzt.
5. Wellendichtungsanordnung (SSM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Begrenzungslinie (LL) in der Dichtfläche (2SS) eine geschlossene Linie bildet.
6. Wellendichtungsanordnung (SSM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Begrenzungslinie (LL) an einer äußeren radialen Begrenzungskante der Dichtfläche (2SS) beginnt und endet.
7. Wellendichtungsanordnung (SSM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Begrenzungslinie (LL) an einer inneren radialen Begrenzungskante der Dichtfläche (2SS) beginnt und endet.
8. Wellendichtungsanordnung (SSM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Begrenzungslinie (LL) eine Parabelform aufweist.
9. Wellendichtungsanordnung (SSM) nach Anspruch 6,
wobei die Begrenzungslinie (LL) aus zwei in einem Winkel zueinander angeordneten geraden Linien besteht .
10. Wellendichtungsanordnung (SSM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Vertiefung (DP) bezüglich einer Axial -Radial - Ebene symmetrisch ist.
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