WO2015144342A1 - Zentrifugaldichtung für eine turbomaschine - Google Patents

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WO2015144342A1
WO2015144342A1 PCT/EP2015/051909 EP2015051909W WO2015144342A1 WO 2015144342 A1 WO2015144342 A1 WO 2015144342A1 EP 2015051909 W EP2015051909 W EP 2015051909W WO 2015144342 A1 WO2015144342 A1 WO 2015144342A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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seal
housing
centrifugal
sealing lip
shaft
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/051909
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Ruettler
Thomas Steidten
Steffen Buhl
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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 Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2015144342A1 publication Critical patent/WO2015144342A1/de

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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
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/162—Special parts or details relating to lubrication or cooling of the sealing itself
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a centrifugal seal for a turbomachine, especially for a steam turbine, in particular for the use of waste heat
  • centrifugal seals for pumps and turbines or turbomachines are known from the prior art, such as for example from the patent DE 44 91 488 B4.
  • the known centrifugal seal comprises a shaft mounted on a sealing device, which consists essentially of a
  • the rotation disk is rotatably arranged in the housing groove. At high speeds of rotation of the shaft and thus the rotating disk fluid is entrained and pressed due to the centrifugal force in the housing groove. The fluid thus seals the volumes against each other on both sides of the rotation disk.
  • the known rotary disk is provided with blades to enhance entrainment and delivery of the fluid into the housing groove.
  • centrifugal seal according to the invention, in particular for a
  • the centrifugal seal comprises a shaft arranged on a
  • Rotary disk and a seal housing with a housing groove formed in the seal housing The rotation disk is rotatably arranged in the housing groove. Upon rotation of the rotation disk fluid is due to the
  • Centrifugal force in a lock space which forms the shaft with respect to the radially outer part of the housing groove pressed.
  • On the rotation disk is a
  • Sealing lip arranged, which cooperates with the seal housing at least when the rotation disk is stationary, and is spaced from the seal housing upon rotation of the rotation disk due to the centrifugal force.
  • the sealing lip assumes the sealing function at low speeds or when the rotating disk is at a standstill.
  • the sealing lip undergoes due to the centrifugal force a radially outward force by which it lifts off from the seal housing.
  • the centrifugal seal acts through the fluid compressed in the blocking space.
  • the wear on the sealing lip due to its contact with the shaft is therefore only very low, since this contact is present only at low rotational speeds of the shaft and thus only at low relative speeds between the shaft and the sealing lip.
  • the sealing lip from a relative speed or
  • the sealing lip acts together with a side surface of the housing groove, at least when the rotating disk is at a standstill. As a result, the seal is carried out both at standstill or at low speeds and at high speeds within the housing groove.
  • the sealing lip is arranged so that the fluid presses in the housing groove at standstill by its weight on the sealing lip so that the sealing effect is enhanced.
  • the sealing lip is made of an elastomer (e.g., NBR, ACM or FKM) or PTFE (polytetrafluoroethylene). Elastomers are particularly suitable for sealing applications such as sealing rings or sealing lips. There is also a comparatively good temperature resistance.
  • PTFE is preferably used for shaft seals, is also characterized by a good
  • annular spring is arranged on the sealing lip, which biases the sealing lip against the seal housing.
  • Gasket increases and thus it can be a higher pressure at standstill or low speeds are sealed.
  • At least one weight element is arranged on the sealing lip.
  • the weight element increases the centrifugal forces at higher speeds such that the sealing lip earlier, ie at relatively lower speeds, lifts off from the seal housing or increases the shared gap between the sealing lip and seal housing.
  • the at least one weight element can also be used together with the annular spring, on the one hand to achieve a strong sealing effect of the sealing lip at standstill or low speeds and on the other
  • centrifugal seal according to the invention in particular for a turbomachine, is described, which also achieves a good sealing effect both at high rotational speeds of the rotating disk and at low speeds or at standstill and is exposed to only a very small wear.
  • the centrifugal seal comprises a shaft arranged on a
  • Rotary disk and a seal housing with a housing groove formed in the seal housing The rotation disk is rotatably arranged in the housing groove. Upon rotation of the rotation disk fluid is due to the
  • Sealing function At high temperatures, the sealing lip is lifted radially outward from the shaft due to the deformation of the bi-metal holder.
  • the temperature in the range of shaft, rotating disk, seal housing, Bi- metal holder and sealing lip depends strongly on the shear flow in the fluid to the components and is thus directly related to
  • the bi-metal holder Due to its thermal expansion behavior, the bi-metal holder is constructed and shaped so that it lifts the sealing lip from the shaft at high temperatures - and thus at high speeds - and at low temperatures
  • the centrifugal seal achieves a good sealing effect both at high rotational speeds of the shaft or rotating disk and at low rotational speeds or at standstill and is at the same time only a very small one Wear is exposed because the contact between the shaft and the sealing lip is only present at low speeds
  • the bi-metal holder is attached to a housing wall formed on the seal housing, wherein the housing wall the
  • the bi-metal holder is then particularly effective.
  • the sealing lip attached to the bi-metal holder consists of an elastomer or of PTFE
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • PTFE is preferably used for shaft seals, is also characterized by a good temperature resistance and has a low coefficient of friction.
  • the bi-metal holder is encapsulated with a sheath, wherein the sheath is preferably made of an elastomer.
  • the bi-metal holder can then be made more flexible.
  • the bi-metal holder with several
  • centrifugal seal according to the invention of the previously described embodiments is used in a turbomachine.
  • Turbo machines usually operate at high shaft speeds and are therefore particularly well suited for the use of centrifugal seals.
  • the turbomachine is a steam turbine for waste heat utilization of an internal combustion engine.
  • a seal of working fluid to lubricant is particularly important and must function reliably at all speeds, whereby the previous embodiments of the centrifugal seal are particularly well suited.
  • Fig.l shows a centrifugal seal according to the invention, wherein only the essential areas are shown.
  • FIG. 2 shows the detail A of Fig.l in a further embodiment.
  • FIG. 3 shows the detail A of Fig.l in yet another
  • FIG. 4 shows a further centrifugal seal according to the invention, wherein only the essential areas are shown.
  • 6a shows an embodiment of a bi-metal holder of a
  • Fig. 6b shows an embodiment of a bi-metal holder of a
  • Fig.l shows an axially symmetrical centrifugal seal 1, as to
  • the centrifugal seal 1 comprises a fixedly arranged on a shaft 2
  • the shaft 2 is rotatably supported by bearings, not shown, about a shaft axis 20.
  • a first volume 15 between the shaft 2 and the seal housing 4 is formed and in Fig.l right of the rotary disk 3, a second volume 16 between the shaft 2 and the seal housing.
  • a housing groove 5 is formed, in which the
  • Rotating disk 3 is arranged rotatably.
  • the housing groove 5 is designed substantially rectangular in cross-section.
  • the remote from the shaft 2, ie radially outer region of the housing groove 5 is called the lock space. 6
  • a sealing lip 7 is fixed, which formed at standstill of the rotary disk 3 with a seal housing 4
  • Seal housing 4 spaced.
  • the sealing lip 7 is made of an elastomer or PTFE to achieve a good seal between the rotating disk 3 and side surface 41 at a standstill or low speeds.
  • the first volume 15 is to be separated from the second volume 16 both at rest or at low speeds and at high speeds media-tight. At the same time, a wear of the involved Sealing elements are avoided. For this purpose, the functions "sealing at standstill” and “sealing at high speeds" are split up:
  • Seal housing 4 Even at low speeds of the shaft 2 and with her the rotary disk 3 seals the sealing lip 7 still off. At low speeds, the relative speed between the sealing lip 7 and
  • Elastomer sealing lips 7 can be used up to relative speeds of 5 - 10 m / s, sealing lips 7 made of PTFE even up to relative speeds of 25 - 50 m / s.
  • a separate sealing fluid can be used, that the housing groove 5 is fed from a sealing reservoir, not shown.
  • a fluid to be sealed is used as the sealing fluid: in turbomachine 100, this can be both the working fluid of the steam circuit, for example ethanol, and a lubricant for the bearing locations of turbomachine 100.
  • the sealing lip 7 must be mounted on the rotary disk 3 either on a side facing the first volume 15 or on a side facing the second volume 16 side.
  • FIG. 2 shows the detail A of Fig.l in a further embodiment.
  • Ring spring 8 is arranged, which is biased and presses the sealing lip 7 against the side surface 41 of the seal housing 4 by their bias.
  • FIG. 3 shows the detail A of Fig.l in yet another
  • At least one weight element 9 is fixedly arranged in the housing groove 5 on the sealing lip 7. Due to the additional weight of the at least one weight element 9, the centrifugal force acting on the sealing lip 7 during rotation of the rotary disk 3 is increased, so that the sealing lip 7 lifts off the side surface 41 of the seal housing 4 even at lower rotational speeds.
  • centrifugal seal 1 ' shows another centrifugal seal 1 'according to the invention, as it can be used for media sealing in a turbomachine 100', wherein only the essential areas are shown.
  • the centrifugal seal 1 ' is substantially axially symmetrical.
  • the centrifugal seal 1 ' comprises a fixedly mounted on a shaft 2' rotation disk 3 'and a seal housing 4'.
  • the shaft 2 ' is rotatably supported by bearings, not shown, about a shaft axis 20'.
  • Rotational disc 3 ' is arranged rotatably.
  • the housing groove 5 ' is in
  • Cross section substantially rectangular.
  • the housing groove 5 ' is bounded by a housing wall 45' formed on the seal housing 4 '.
  • a Bi- metal holder 10 ' On a housing wall 42 'formed on the housing surface 42' is a Bi- metal holder 10 'with a sealing lip attached to it 7' fixed.
  • the sealing lip 7 ' acts at low temperatures with the shaft 2' on the lateral surface together.
  • the bi-metal holder 10 ' expands so that the sealing lip 7' from the shaft 2 'lifts.
  • the sealing lip 7 ' made of an elastomer or PTFE, in order to achieve a good seal to the shaft 2' at low temperatures.
  • the first volume 15 ' is to be separated from the second volume 16' both at standstill or at low speeds and at high speeds media-tight. At the same time wear of the sealing elements involved should be avoided.
  • the functions "sealing at standstill” and “sealing at high speeds" are split up:
  • Rotating disc 3 takes place via the general principle of
  • Centrifugal seal 1 ' In this case, a fluid from the rotary disk 3 'in the housing groove 5' entrained and pressed due to the centrifugal forces within the housing groove 5 'in the lock chamber 6'. Through this in the lock room 6 'compressed fluid can flow no further fluid from one of the two volumes 15' or 16 'in the other volume 16' or 15 '. Due to the high speeds of the shaft 2 'it comes to strong
  • a separate sealing fluid can be used, that the housing groove 5' is fed from a sealing reservoir, not shown.
  • a fluid to be sealed is used as the sealing fluid: in turbomachine 100 ', this can be both the working fluid of the steam circuit, for example ethanol, and a lubricant for the bearing locations of the turbomachine.
  • the sealing lip 7 ' must be mounted on the seal housing 4' either on a side facing the first volume 15 'or on a side facing the second volume 16'.
  • FIG. 5 shows the centrifugal seal 1 'in a development of Figure 4.
  • the bi-metal holder 10 ' is encapsulated by a casing 11'.
  • the sheath 11 ' consists of an elastomer.
  • the sheath 11 surrounds the bi-metal holder 10' media-tight.
  • the bi-metal holder 10 can be made more flexible, which is illustrated in the following figures 6a and 6b.
  • 6a shows an embodiment of a bi-metal holder of a
  • FIG. 6 b shows an embodiment of a bi-metal holder 10 'of a centrifugal seal 1' according to an exemplary embodiment of FIG. 5, but in the production step before the encapsulation with the casing.
  • the bi-metal holder 10 ' gets in one of the next manufacturing steps a media-tight encapsulation or casing 11' and therefore does not even have to be made media-tight.
  • slot-shaped grooves 12 ' which are arranged in the illustrated embodiment in a star shape, ie radially.
  • the bi-metal holder 10 ' is designed relatively flexible and more sensitive to respond
  • the bi-metal holder 10 ' In both embodiments of FIGS. 6a and 6b, the bi-metal holder 10 'consists of an inner metal 10a' and an outer metal 10b '.
  • the bi-metal holder 10 ' is the shaft 2' arranged radially surrounding.
  • the sealing lip 7' At one end of the bi-metal holder 10 ', the sealing lip 7' is arranged. In the direction of the sealing lip 7 ', the bi-metal holder 10' is tapered.
  • the outer metal 10b ' has a lower coefficient of thermal expansion than the inner metal 10a', so that when the temperature increases, the sealing lip 7 'lifts off the shaft 2'.
  • the bi-metal holder 10 ' is curved in cross-section, and is increasingly less tapering, ie concavely curved, towards the sealing lip 7'.
  • Rotary disk 3; 3 'be provided with blades, not shown, as known from the prior art, the towing and the

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Zentrifugaldichtung (1) für eine Turbomaschine (100), wobei die Zentrifugaldichtung (1) eine auf einer Welle (2) angeordnete Rotationsscheibe (3) und ein Dichtungsgehäuse (4) mit einer im Dichtungsgehäuse (4) ausgebildeten Gehäusenut (5) umfasst. Die Rotationsscheibe (3) ist rotierbar in der Gehäusenut (5) angeordnet. Bei Rotation der Rotationsscheibe (3) wird Fluid aufgrund der Zentrifugalkraft in einen Sperrraum (6), der den bezüglich der Welle (2) radial außen liegenden Teil der Gehäusenut (5) bildet, gedrückt. Auf der Rotationsscheibe (3) ist eine Dichtlippe (7) angeordnet, die bei Stillstand der Rotationsscheibe (3) mit dem Dichtungsgehäuse (4) zusammenwirkt, und bei hohen Drehzahlen der Rotationsscheibe (3) aufgrund der Zentrifugalkraft von dem Dichtungsgehäuse (4) beabstandet ist.

Description

Titel
Zentrifugaldichtung für eine Turbomaschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Zentrifugaldichtung für eine Turbomaschine, speziell für eine Dampfturbine, insbesondere zur Abwärmenutzung einer
Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Zentrifugaldichtungen für Pumpen und Turbinen bzw. Turbomaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus der Patentschrift DE 44 91 488 B4. Die bekannte Zentrifugaldichtung umfasst eine auf einer Welle angeordnete Dichtungsvorrichtung, die im Wesentlichen aus einer
Rotationsscheibe besteht, und eine Dichtkammer bzw. eine Gehäusenut, die in einem Pumpengehäuse ausgebildet ist. Die Rotationsscheibe ist rotierbar in der Gehäusenut angeordnet. Bei hohen Drehzahlen der Welle und damit auch der Rotationsscheibe wird Fluid mitgeschleppt und aufgrund der Zentrifugalkraft in die Gehäusenut gepresst. Das Fluid dichtet somit die Volumen beiderseits der Rotationsscheibe gegeneinander ab. Die bekannte Rotationsscheibe ist mit Schaufeln versehen, um das Mitschleppen und die Förderung des Fluids in die Gehäusenut zu verstärken.
Dieses bei hohen Drehzahlen gut funktionierende Dichtungsprinzip ist für den Stillstand bzw. für geringe Drehzahlen der Rotationsscheibe jedoch nicht geeignet. Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Zentrifugaldichtung, insbesondere für eine
Turbomaschine, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie sowohl bei hohen
Drehzahlen der Rotationsscheibe als auch bei geringen Drehzahlen bzw. bei Stillstand eine gute Dichtwirkung erzielt und gleichzeitig nur einem sehr geringen Verschleiß ausgesetzt ist. Dazu umfasst die Zentrifugaldichtung eine auf einer Welle angeordnete
Rotationsscheibe und ein Dichtungsgehäuse mit einer im Dichtungsgehäuse ausgebildeten Gehäusenut. Die Rotationsscheibe ist rotierbar in der Gehäusenut angeordnet. Bei Rotation der Rotationsscheibe wird Fluid aufgrund der
Zentrifugalkraft in einen Sperrraum, der den bezüglich der Welle radial außen liegenden Teil der Gehäusenut bildet, gedrückt. An der Rotationsscheibe ist eine
Dichtlippe angeordnet, die zumindest bei Stillstand der Rotationsscheibe mit dem Dichtungsgehäuse zusammenwirkt, und bei Drehung der Rotationsscheibe aufgrund der Zentrifugalkraft von dem Dichtungsgehäuse beabstandet ist. Dadurch übernimmt die Dichtlippe bei niedrigen Drehzahlen bzw. bei Stillstand der Rotationsscheibe die Dichtungsfunktion. Bei höheren Drehzahlen erfährt die Dichtlippe aufgrund der Zentrifugalkraft eine radial nach außen gerichtete Kraft, durch welche sie vom Dichtungsgehäuse abhebt. Bei höheren Drehzahlen wirkt die Zentrifugaldichtung durch das im Sperrraum verdichtete Fluid. Der Verschleiß an der Dichtlippe aufgrund ihres Kontakts zur Welle ist somit nur sehr gering, da dieser Kontakt nur bei kleinen Drehzahlen der Welle und somit auch nur bei kleinen Relativgeschwindigkeiten zwischen Welle und Dichtlippe vorhanden ist.
Vorteilhafterweise ist die Dichtlippe ab einer Relativgeschwindigkeit bzw.
Umfangsgeschwindigkeit von 5 m/s von dem Dichtungsgehäuse beabstandet. Ab dieser Geschwindigkeit steigt der Verschleiß der Dichtlippe stark an. Gleichzeitig wirkt ab entsprechenden Umdrehungszahlen von > 10.000/min die
Zentrifugaldichtung, also das verdichtete Fluid im Sperrraum, zuverlässig, so dass keine Dichtwirkung zwischen Dichtlippe und Dichtungsgehäuse mehr benötigt wird. In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Zentrifugaldichtung wirkt die Dichtlippe zumindest bei Stillstand der Rotationsscheibe mit einer Seitenfläche der Gehäusenut zusammen. Dadurch erfolgt die Abdichtung sowohl bei Stillstand bzw. bei niedrigen Drehzahlen als auch bei hohen Drehzahlen innerhalb der Gehäusenut. Optional ist die Dichtlippe so angeordnet, dass das Fluid in der Gehäusenut bei Stillstand durch seine Gewichtskraft derart auf die Dichtlippe drückt, dass die Dichtwirkung verstärkt wird.
Vorteilhafterweise besteht die Dichtlippe aus einem Elastomer (z.B. NBR, ACM oder FKM) oder aus PTFE (Polytetrafluorethylen). Elastomere sind besonders gut für Dichtanwendungen wie Dichtringe bzw. Dichtlippen geeignet. Hinzu kommt eine vergleichsweise gute Temperaturbeständigkeit. PTFE wird bevorzugt für Wellendichtringe verwendet, zeichnet sich ebenfalls durch eine gute
Temperaturbeständigkeit aus und weist einen geringen Reibkoeffizienten auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auf der Dichtlippe eine Ringfeder angeordnet, die die Dichtlippe gegen das Dichtungsgehäuse vorspannt. Dadurch wird die Vorspannung der Dichtlippe gegen das
Dichtungsgehäuse erhöht und es kann somit ein höherer Druck bei Stillstand bzw. niedrigen Drehzahlen abgedichtet werden.
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auf der Dichtlippe mindestens ein Gewichtelement angeordnet. Das Gewichtelement erhöht die Zentrifugalkräfte bei höheren Drehzahlen derart, dass die Dichtlippe früher, also bei vergleichsweise niedrigeren Drehzahlen, vom Dichtungsgehäuse abhebt bzw. sich der freigegebene Spalt zwischen Dichtlippe und Dichtungsgehäuse vergrößert.
Das mindestens eine Gewichtelement kann auch zusammen mit der Ringfeder eingesetzt werden, um zum einen eine starke Dichtwirkung der Dichtlippe bei Stillstand bzw. niedrigen Drehzahlen zu erzielen und zum anderen ein
vergleichsweises frühes Abheben der Dichtlippe vom Dichtungsgehäuse zu erreichen. lm Folgenden wird eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zentrifugaldichtung, insbesondere für eine Turbomaschine, beschrieben, die ebenfalls sowohl bei hohen Drehzahlen der Rotationsscheibe als auch bei geringen Drehzahlen bzw. bei Stillstand eine gute Dichtwirkung erzielt und gleichzeitig nur einem sehr geringen Verschleiß ausgesetzt ist.
Dazu umfasst die Zentrifugaldichtung eine auf einer Welle angeordnete
Rotationsscheibe und ein Dichtungsgehäuse mit einer im Dichtungsgehäuse ausgebildeten Gehäusenut. Die Rotationsscheibe ist rotierbar in der Gehäusenut angeordnet. Bei Rotation der Rotationsscheibe wird Fluid aufgrund der
Zentrifugalkraft in einen Sperrraum, der den bezüglich der Welle radial außen liegenden Teil der Gehäusenut bildet, gedrückt. Am Dichtungsgehäuse ist ein Bi- Metall- Halter mit einer an ihm angeordneten Dichtlippe angebracht. Bei niedrigen Temperaturen wirkt die Dichtlippe mit der Welle zusammen und bei höheren Temperaturen ist die Dichtlippe von der Welle beabstandet.
Dadurch übernimmt die Dichtlippe bei niedrigen Temperaturen die
Dichtungsfunktion. Bei hohen Temperaturen wird die Dichtlippe aufgrund der Verformung des Bi- Metall- Halters radial nach außen von der Welle abgehoben. Die Temperatur im Bereich von Welle, Rotationsscheibe, Dichtungsgehäuse, Bi- Metall- Halter und Dichtlippe hängt stark von der Scherströmung im Fluid zu den Bauteilen ab und steht somit in einem direkten Zusammenhang zur
Rotationsgeschwindigkeit der Welle bzw. der Rotationsscheibe.
Der Bi- Metall- Halter ist aufgrund seines Wärmeausdehnungsverhaltens so aufgebaut und geformt, dass er bei hohen Temperaturen - und damit bei hohen Drehzahlen - die Dichtlippe von der Welle abhebt und bei niedrigen
Temperaturen - und damit bei niedrigen Drehzahlen - die Dichtlippe mit der Welle zusammenwirken lässt. Bei hohen Drehzahlen wirkt die
Zentrifugaldichtung durch das im Sperrraum verdichtete Fluid.
Dementsprechend erzielt die Zentrifugaldichtung sowohl bei hohen Drehzahlen der Welle bzw. Rotationsscheibe als auch bei niedrigen Drehzahlen bzw. bei Stillstand eine gute Dichtwirkung und ist gleichzeitig nur einem sehr geringen Verschleiß ausgesetzt, da der Kontakt zwischen Welle und Dichtlippe nur bei niedrigen Drehzahlen vorhanden ist
Vorteilhafterweise ist der Bi- Metall- Halter an einer am Dichtungsgehäuse ausgebildeten Gehäusewand angebracht, wobei die Gehäusewand die
Gehäusenut auf einer Seite begrenzt. Dadurch ist der Bi- Metall- Halter an einer Stelle angebracht, nämlich an der Gehäusenut bzw. in der Nähe der
Gehäusenut, an der die Scherströmung besonders hoch ist und
dementsprechend auch die dadurch erzeugte Temperatur. Der Bi-Metall-Halter ist dann besonders wirkungsvoll.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die am Bi-Metall-Halter angebrachte Dichtlippe aus einem Elastomer oder aus PTFE
(Polytetrafluorethylen). Elastomere sind besonders gut für Dichtanwendungen wie Dichtringe bzw. Dichtlippen geeignet. Hinzu kommt eine vergleichsweise gute Temperaturbeständigkeit. PTFE wird bevorzugt für Wellendichtringe verwendet, zeichnet sich ebenfalls durch eine gute Temperaturbeständigkeit aus und weist einen geringen Reibkoeffizienten auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Bi-Metall-Halter mit einer Ummantelung umspritzt, wobei die Ummantelung vorzugsweise aus einem Elastomer besteht. Dadurch übernimmt die Ummantelung zusammen mit der Dichtlippe die Dichtungsfunktion bei Stillstand bzw. niedrigen Drehzahlen, und der Bi-Metall-Halter selbst muss nicht mediendicht ausgeführt sein.
Beispielsweise kann der Bi-Metall-Halter dann biegeweicher gestaltet werden.
In einer vorteilhaften Ausführung ist der Bi-Metall-Halter mit mehreren
schlitzförmigen Nuten versehen, die sternförmig, also radial nach außen laufend, angeordnet sind. Dadurch wird der Bi-Metall-Halter deutlich biegeweicher als ein vergleichbarer Bi-Metall-Halter ohne Nuten. Somit ist die Verformung des Bi- Metall- Halters bei Temperaturänderungen vergleichsweise groß.
Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Zentrifugaldichtung der vorher beschriebenen Ausführungsformen in einer Turbomaschine eingesetzt. Turbomaschinen arbeiten in der Regel mit hohen Drehzahlen der Welle und sind daher besonders gut für den Einsatz von Zentrifugaldichtungen geeignet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Turbomaschine eine Dampfturbine zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine. Für diese Art von Dampfturbinen ist eine Abdichtung von Arbeitsmedium zu Schmiermittel besonders wichtig und muss zuverlässig bei allen Drehzahlen funktionieren, wodurch sich die vorangegangenen Ausführungsformen der Zentrifugaldichtung besonders gut eignen.
Zeichnungen
Fig.l zeigt eine erfindungsgemäße Zentrifugaldichtung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.2 zeigt den Ausschnitt A der Fig.l in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Fig.3 zeigt den Ausschnitt A der Fig.l in noch einem weiteren
Ausführungsbeispiel.
Fig.4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Zentrifugaldichtung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.5 zeigt die Zentrifugaldichtung in einer Weiterbildung der Fig.4.
Fig.6a zeigt eine Ausführungsform eines Bi-Metall-Halters einer
Zentrifugaldichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Fig.4.
Fig.6b zeigt eine Ausführungsform eines Bi-Metall-Halters einer
Zentrifugaldichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Fig.5.
Beschreibung Fig.l zeigt eine axialsymmetrische Zentrifugaldichtung 1, wie sie zur
Medienabdichtung in einer Turbomaschine 100 verwendet werden kann. Die Zentrifugaldichtung 1 umfasst eine fest auf einer Welle 2 angeordnete
Rotationsscheibe 3 und ein Dichtungsgehäuse 4. Die Welle 2 ist durch nicht dargestellte Lager rotierbar um eine Wellenachse 20 gelagert.
In der Fig.l links der Rotationsscheibe 3 ist ein erstes Volumen 15 zwischen der Welle 2 und dem Dichtungsgehäuse 4 ausgebildet und in der Fig.l rechts der Rotationsscheibe 3 ein zweites Volumen 16 zwischen der Welle 2 und dem Dichtungsgehäuse 4.
Im Dichtungsgehäuse 4 ist eine Gehäusenut 5 ausgebildet, in der die
Rotationsscheibe 3 rotierbar angeordnet ist. Die Gehäusenut 5 ist im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgeführt. Der von der Welle 2 abgewandte, also radial außenliegende Bereich der Gehäusenut 5 wird als Sperrraum 6
bezeichnet, in welchem sich im Betrieb der Turbomaschine 100 Fluid sammelt, das das erste Volumen 15 und das zweite Volumen 16 gegeneinander abdichtet.
Auf der Rotationsscheibe 3 ist eine Dichtlippe 7 fest angeordnet, die bei Stillstand der Rotationsscheibe 3 mit einer am Dichtungsgehäuse 4 ausgebildeten
Seitenfläche 41 der Gehäusenut 5 zusammenwirkt. Bei hohen Drehzahlen der Welle 2 und damit auch der Rotationsscheibe 3 dagegen ist die Dichtlippe 7 aufgrund der Zentrifugalkraft von der Seitenfläche 41 bzw. vom
Dichtungsgehäuse 4 beabstandet. Vorzugsweise besteht die Dichtlippe 7 aus einem Elastomer oder aus PTFE, um bei Stillstand bzw. niedrigen Drehzahlen eine gute Abdichtung zwischen Rotationsscheibe 3 und Seitenfläche 41 zu erzielen.
Die Wirkungsweise der Zentrifugaldichtung 1 im Ausführungsbeispiel der Fig.l ist wie folgt:
Das erste Volumen 15 soll gegenüber dem zweiten Volumen 16 sowohl im Stillstand bzw. bei niedrigen Drehzahlen als auch bei hohen Drehzahlen mediendicht abgetrennt werden. Gleichzeitig soll ein Verschleiß der beteiligten Dichtelemente vermieden werden. Dazu werden die Funktionen„Abdichtung bei Stillstand" und„Abdichtung bei hohen Drehzahlen" aufgeteilt:
- Die Abdichtung bei Stillstand der Welle 2 erfolgt über den Kontakt der
Dichtlippe 7 zum Dichtungsgehäuse 4 bzw. zur Seitenfläche 41 des
Dichtungsgehäuses 4. Auch bei niedrigen Drehzahlen der Welle 2 und mit ihr der Rotationsscheibe 3 dichtet die Dichtlippe 7 noch ab. Bei niedrigen Drehzahlen ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Dichtlippe 7 und
Seitenfläche 41 gering und somit auch der auftretende Verschleiß.
Dichtlippen 7 aus Elastomer können dabei bis zu Relativgeschwindigkeiten von 5 - 10 m/s eingesetzt werden, Dichtlippen 7 aus PTFE sogar bis zu Relativgeschwindigkeiten von 25 - 50 m/s.
- Die Abdichtung bei hohen Drehzahlen der Welle 2 erfolgt über das
allgemeine Prinzip der Zentrifugaldichtung 1. Dabei wird ein Fluid von der Rotationsscheibe 3 in der Gehäusenut 5 mitgeschleppt und aufgrund der Zentrifugalkräfte innerhalb der Gehäusenut 5 in den Sperrraum 6 gedrückt. Durch dieses im Sperrraum 6 verdichtete Fluid kann kein weiteres Fluid von einem der beiden Volumen 15 oder 16 in das jeweils andere Volumen 16 oder 15 hindurchströmen. Aufgrund der Zentrifugalkräfte hebt die Dichtlippe 7 bei hohen Drehzahlen von der Seitenfläche 41 ab, so dass es zu keinem Verschleiß kommt.
Als im Sperrraum 6 abdichtendes Fluid kann ein separates Dichtungsfluid verwendet werden, dass der Gehäusenut 5 aus einem nicht dargestellten Dichtungsreservoir zugeführt wird. Vorteilhafterweise wird als Dichtungsfluid jedoch ein abzudichtendes Fluid verwendet: das kann bei der Turbomaschine 100 sowohl das Arbeitsfluid des Dampfkreises, beispielsweise Ethanol, als auch ein Schmiermittel für die Lagerstellen der Turbomaschine 100 sein.
Entsprechend muss selbstverständlich die Dichtlippe 7 auf der Rotationsscheibe 3 entweder auf einer dem ersten Volumen 15 zugewandten Seite oder auf einer dem zweiten Volumen 16 zugewandten Seite angebracht sein.
Fig.2 zeigt den Ausschnitt A der Fig.l in einem weiteren Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist in der Gehäusenut 5 zwischen der
Rotationsscheibe 3 und der darauf schräg angeordneten Dichtlippe 7 eine Ringfeder 8 angeordnet, die vorgespannt ist und durch ihre Vorspannung die Dichtlippe 7 gegen die Seitenfläche 41 des Dichtungsgehäuses 4 drückt.
Fig.3 zeigt den Ausschnitt A der Fig.l in noch einem weiteren
Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist in der Gehäusenut 5 auf der Dichtlippe 7 mindestens ein Gewichtelement 9 fest angeordnet. Durch das zusätzliche Gewicht des mindestens einen Gewichtelements 9 wird die bei Rotation der Rotationsscheibe 3 auf die Dichtlippe 7 wirkende Zentrifugalkraft erhöht, so dass die Dichtlippe 7 schon bei geringeren Drehzahlen von der Seitenfläche 41 des Dichtungsgehäuses 4 abhebt.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich durch die vorangegangenen dadurch, dass zur Verhinderung des Verschleißes der Dichtlippe bei hohen Drehzahlen eine andere physikalische Wirkung verwendet wird, nämlich die Temperatur anstelle der Zentrifugalkraft:
Fig.4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Zentrifugaldichtung 1', wie sie zur Medienabdichtung in einer Turbomaschine 100' verwendet werden kann, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Zentrifugaldichtung 1' ist im Wesentlichen axialsymmetrisch. Die Zentrifugaldichtung 1' umfasst eine fest auf einer Welle 2' angeordnete Rotationsscheibe 3' und ein Dichtungsgehäuse 4'. Die Welle 2' ist durch nicht dargestellte Lager rotierbar um eine Wellenachse 20' gelagert.
In der Fig.4 links der Rotationsscheibe 3' ist ein erstes Volumen 15' zwischen der Welle 2' und dem Dichtungsgehäuse 4' ausgebildet und in der Fig.4 rechts der Rotationsscheibe 3' ein zweites Volumen 16' zwischen der Welle 2' und dem Dichtungsgehäuse 4'.
Im Dichtungsgehäuse 4' ist eine Gehäusenut 5' ausgebildet, in der die
Rotationsscheibe 3' rotierbar angeordnet ist. Die Gehäusenut 5' ist im
Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgeführt. Der von der Welle 2' abgewandte, also radial außenliegende Bereich der Gehäusenut 5' wird als Sperrraum 6' bezeichnet, in welchem sich im Betrieb der Turbomaschine 100' Fluid sammelt, das das erste Volumen 15' und das zweite Volumen 16' gegeneinander abdichtet.
Die Gehäusenut 5' wird durch eine am Dichtungsgehäuse 4' ausgebildete Gehäusewand 45' begrenzt. Auf einer an der Gehäusewand 45' ausgebildeten Gehäusefläche 42' ist ein Bi- Metall- Halter 10' mit einer an ihm angebrachten Dichtlippe 7' fest angeordnet. Die Dichtlippe 7' wirkt bei niedrigen Temperaturen mit der Welle 2' an deren Mantelfläche zusammen. Bei hohen Temperaturen dehnt sich der Bi-Metall-Halter 10' so aus, dass die Dichtlippe 7' von der Welle 2' abhebt. Vorzugsweise besteht die Dichtlippe 7' aus einem Elastomer oder aus PTFE, um bei niedrigen Temperaturen eine gute Abdichtung zur Welle 2' zu erzielen.
Die Wirkungsweise der Zentrifugaldichtung 1' im Ausführungsbeispiel der Fig.4 ist wie folgt:
Das erste Volumen 15' soll gegenüber dem zweiten Volumen 16' sowohl im Stillstand bzw. bei niedrigen Drehzahlen als auch bei hohen Drehzahlen mediendicht abgetrennt werden. Gleichzeitig soll ein Verschleiß der beteiligten Dichtelemente vermieden werden. Dazu werden die Funktionen„Abdichtung bei Stillstand" und„Abdichtung bei hohen Drehzahlen" aufgeteilt:
- Die Abdichtung bei Stillstand der Welle 2' erfolgt über den Kontakt der
Dichtlippe 7' zur Mantelfläche der Welle 2'. Auch bei niedrigen Drehzahlen der Welle 2' dichtet die Dichtlippe 7' noch ab. Bei niedrigen Drehzahlen ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Dichtlippe 7' und Welle 2' gering und somit auch der auftretende Verschleiß. Dichtlippen 7' aus Elastomer können dabei bis zu Relativgeschwindigkeiten von 5 - 10 m/s eingesetzt werden,
Dichtlippen 7' aus PTFE sogar bis zu Relativgeschwindigkeiten von 25 - 50 m/s.
- Die Abdichtung bei hohen Drehzahlen der Welle 2' und mit ihr auch der
Rotationsscheibe 3' erfolgt über das allgemeine Prinzip der
Zentrifugaldichtung 1'. Dabei wird ein Fluid von der Rotationsscheibe 3' in der Gehäusenut 5' mitgeschleppt und aufgrund der Zentrifugalkräfte innerhalb der Gehäusenut 5' in den Sperrraum 6' gedrückt. Durch dieses im Sperrraum 6' verdichtete Fluid kann kein weiteres Fluid von einem der beiden Volumen 15' oder 16' in das jeweils andere Volumen 16' oder 15' hindurchströmen. Aufgrund der hohen Drehzahlen der Welle 2' kommt es zu starken
Scherströmungen im Fluid zu der Welle 2' und der Rotationsscheibe 3' einerseits und zu dem Dichtungsgehäuse 4' und dem Bi- Metall- Halter 10' andererseits. Diese Scherströmungen führen zu einer Erwärmung der beteiligten Bauteile. Die Erwärmung des Bi- Metall- Halters 10' führt schließlich zu einer Durchbiegung des Bi- Metall- Halters 10' und damit zu einem
Abheben der Dichtlippe 7' von der Welle 2'.
Als im Sperrraum 6' abdichtendes Fluid kann ein separates Dichtungsfluid verwendet werden, dass der Gehäusenut 5' aus einem nicht dargestellten Dichtungsreservoir zugeführt wird. Vorteilhafterweise wird als Dichtungsfluid jedoch ein abzudichtendes Fluid verwendet: das kann bei der Turbomaschine 100' sowohl das Arbeitsfluid des Dampfkreises, beispielsweise Ethanol, als auch ein Schmiermittel für die Lagerstellen der Turbomaschine sein. Entsprechend muss selbstverständlich die Dichtlippe 7' am Dichtungsgehäuse 4' entweder auf einer dem ersten Volumen 15' zugewandten Seite oder auf einer dem zweiten Volumen 16' zugewandten Seite angebracht sein.
Fig.5 zeigt die Zentrifugaldichtung 1' in einer Weiterbildung der Fig.4. Dabei ist der Bi- Metall- Halter 10' von einer Ummantelung 11' umspritzt. Vorteilhafterweise besteht die Ummantelung 11' aus einem Elastomer.
Die Ummantelung 11' umgibt den Bi-Metall-Halter 10' mediendicht. Dadurch kann der Bi-Metall-Halter 10' biegeweicher ausgeführt werden, was an den nachfolgenden Figuren 6a und 6b veranschaulicht wird. Fig.6a zeigt eine Ausführungsform eines Bi-Metall-Halters einer
Zentrifugaldichtung 1' nach einem Ausführungsbeispiel der Fig.4. Der Bi-Metall- Halter 10' weist keine Umspritzung bzw. Ummantelung auf und muss daher mediendicht ausgeführt sein. Fig.6b dagegen zeigt eine Ausführungsform eines Bi- Metall- Halters 10' einer Zentrifugaldichtung 1' nach einem Ausführungsbeispiel der Fig.5, jedoch im Fertigungsschritt vor der Umspritzung mit der Ummantelung. Der Bi- Metall- Halter 10' bekommt in einem der nächsten Fertigungsschritte eine mediendichte Umspritzung bzw. Ummantelung 11' und muss daher selbst nicht mediendicht ausgeführt sein. Dadurch kann der Bi-Metall-Halter 10' mit mehreren
schlitzförmigen Nuten 12' versehen sein, die im gezeigten Ausführungsbeispiel sternförmig, also radial angeordnet sind. Somit ist der Bi-Metall-Halter 10' vergleichsweise biegeweich ausgeführt und reagiert empfindlicher auf
Temperaturunterschiede als ein Bi-Metall-Halter 10' nach einem
Ausführungsbeispiel der Fig.6a.
In beiden Ausführungsformen der Fig.6a und Fig.6b besteht der Bi-Metall-Halter 10' aus einem inneren Metall 10a' und einem äußeren Metall 10b'. Der Bi-Metall- Halter 10' ist die Welle 2' radial umgebend angeordnet. An einem Ende des Bi- Metall- Halters 10' ist die Dichtlippe 7' angeordnet. In Richtung der Dichtlippe 7' ist der Bi-Metall-Halter 10' sich verjüngend ausgeführt. Das äußere Metall 10b' weist einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als das innere Metall 10a', so dass bei einer Temperaturerhöhung die Dichtlippe 7' von der Welle 2' abhebt.
Um diesen Effekt zu unterstützen ist es vorteilhaft, wenn der Bi-Metall-Halter 10' im Querschnitt gekrümmt, und zwar sich zur Dichtlippe 7' hin zunehmend weniger verjüngend, also konkav gekrümmt, ausgeführt ist. Steigende
Temperaturen führen dann zu einer Verstärkung der Krümmung des Bi-Metall- Halters 10'.
Für sämtliche Ausführungsformen der Fig.l bis Fig.6b kann die
Rotationsscheibe 3; 3' mit nicht dargestellten Schaufeln versehen sein, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, um das Mitschleppen und die
Förderung des Fluids in den Sperrraum 6; 6' zu verstärken.

Claims

Ansprüche
1. Zentrifugaldichtung (1) für eine Turbomaschine (100), wobei die
Zentrifugaldichtung (1) eine auf einer Welle (2) angeordnete Rotationsscheibe (3) und ein Dichtungsgehäuse (4) mit einer im Dichtungsgehäuse (4) ausgebildeten Gehäusenut (5) umfasst, wobei die Rotationsscheibe (3) rotierbar in der
Gehäusenut (5) angeordnet ist und wobei bei Rotation der Rotationsscheibe (3) Fluid aufgrund der Zentrifugalkraft in einen Sperrraum (6), der den bezüglich der Welle (2) radial außen liegenden Teil der Gehäusenut (5) bildet, gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
an der Rotationsscheibe (3) eine Dichtlippe (7) angeordnet ist, die zumindest bei Stillstand der Rotationsscheibe (3) mit dem Dichtungsgehäuse (4)
zusammenwirkt und bei Drehung der Rotationsscheibe (3) aufgrund der
Zentrifugalkraft von dem Dichtungsgehäuse (4) beabstandet ist.
2. Zentrifugaldichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlippe (7) ab einer Relativgeschwindigkeit bzw. Umfangsgeschwindigkeit von 5 m/s von dem Dichtungsgehäuse (4) beabstandet ist.
3. Zentrifugaldichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlippe (7) zumindest bei Stillstand der Rotationsscheibe (3) mit einer Seitenfläche (41) der Gehäusenut (5) zusammenwirkt.
4. Zentrifugaldichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlippe (7) aus einem Elastomer oder aus PTFE besteht.
5. Zentrifugaldichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Dichtlippe (7) eine Ringfeder (8) angeordnet ist, die die Dichtlippe (7) gegen das Dichtungsgehäuse (4) vorspannt.
6. Zentrifugaldichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Dichtlippe (7) mindestens ein Gewichtelement (9) angeordnet ist.
7. Zentrifugaldichtung ( ) für eine Turbomaschine (100'), wobei die
Zentrifugaldichtung ( ) eine auf einer Welle (2') angeordnete Rotationsscheibe (3') und ein Dichtungsgehäuse (4') mit einer im Dichtungsgehäuse (4') ausgebildeten Gehäusenut (5') umfasst, wobei die Rotationsscheibe (3') rotierbar in der Gehäusenut (5') angeordnet ist und wobei bei Rotation der
Rotationsscheibe (3') Fluid aufgrund der Zentrifugalkraft in einen Sperrraum (6'), der den bezüglich der Welle (2) radial außen liegenden Teil der Gehäusenut (5') bildet, gedrückt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
am Dichtungsgehäuse (4') ein Bi- Metall- Halter (10') mit einer an ihm
angeordneten Dichtlippe (7') angebracht ist, wobei bei niedrigen Temperaturen die Dichtlippe (7') mit der Welle (2') zusammenwirkt und bei höheren
Temperaturen die Dichtlippe (7') von der Welle (2') beabstandet ist.
8. Zentrifugaldichtung ( ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bi- Metall- Halter (10') an einer am Dichtungsgehäuse (4') ausgebildeten
Gehäusewand (45') angebracht ist, wobei die Gehäusewand (45') die
Gehäusenut (5') auf einer Seite begrenzt.
9. Zentrifugaldichtung ( ) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlippe (7') aus einem Elastomer oder aus PTFE besteht.
10. Zentrifugaldichtung ( ) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bi- Metall- Halter (10') mit einer Ummantelung (11') umspritzt ist, wobei die Ummantelung (11') vorzugsweise aus einem Elastomer besteht.
11. Zentrifugaldichtung ( ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bi- Metall- Halter (10') mit mehreren schlitzförmigen Nuten (12') versehen ist, die sternförmig angeordnet sind.
12. Turbomaschine (100; 100') mit einer Zentrifugaldichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Turbomaschine (100; 100') nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine (100; 100') eine Dampfturbine zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine ist.
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