CH616495A5

CH616495A5 -

Info

Publication number: CH616495A5
Application number: CH303277A
Authority: CH
Inventors: Manfred Heinen; Joachim Kotzur
Original assignee: Gutehoffnungshuette Sterkrade
Priority date: 1976-03-11
Filing date: 1977-03-10
Publication date: 1980-03-31
Also published as: US4071253A; AU509840B2; ZA771490B; FR2343943B1; JPS52110364A; BR7701373A; JPS5647414Y2; FR2343943A1; DE2610045C2; AU2319677A; DE2610045A1; JPS562461U

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gasgesperrte Wellendichtung mit einem feststehenden Dichtring und einem axial benachbart zu diesem angeordneten, mit der Welle umlaufenden Dichtring sowie Federmitteln, die den feststehenden Dichtring sowie Federmitteln, die den feststehenden Dichtring auf den umlaufenden Dichtring drücken, und mit Zuführkanälen, die ein Sperrgas in den Bereich der Dichtspalten zwischen den Dichtringen einerseits und den Dichtringen und der Welle andererseits leiten.

Bisher sind gasgesperrte Dichtungen bekannt, bei denen ein einziger Dichtring vorhanden ist, der elastisch mittels einer gasdichten Membran im Gehäuse aufgehängt ist, welche ihn gegen den mit der Welle umlaufendem Dichtring presst. Ein zwischen beide Dichtringe eingeblasener Gegenstrom trennt im Betrieb die Berührungsflächen beider Dichtringe und bildet ein Gaspolster, das einen Verschleiss der Dichtringe verhindert.

Bei der einseitigen Anordnung der radialen Dichtfläche treten durch die axiale Anpresskraft und die vom Sperrgas im Dichtspalt erzeugte Reibungswärme ungleichmässige Verformungen des Umlaufringes auf, die bei hohen Druckdifferenzen und Umfangsgeschwindigkeiten in der Grössenord-nung der bei dieser Dichtungsbauart extremen kleinen Dichtspalthöhen liegen können, so dass es zum axialen Anstreifen zwischen dem umlaufenden und nicht umlaufenden Dichtring und zum Verschleiss der Dichtflächen kommen kann.

Es ergibt sich dann die Notwendigkeit, die Sperrgasdichtung mit einer anderen Dichtung herkömmlicher Bauart zu kombinieren, welche die hohe Druckdifferenz aufnimmt.

Eine solche Kombination ist auch schon im Falle gleichen Druckes auf beiden Seiten der Dichtung erforderlich, wenn das mit dem Verfahrensgas verträgliche Sperrgas der Sperrgasdichtung nicht mit dem Medium im nach aussen an die Sperrgasdichtung angrenzenden Raum, im allgemeinen der Atmosphäre, verträglich ist.

Bei Verwendung von Gasdichtungen herkömmlicher Bauart, z. B. Labyrinthdichtungen, als äussere Dichtung treten jedoch erhebliche Leckgasströme nach aussen auf, während Flüssigkeitsdichtungen als äussere Dichtung im Falle eines explosiblen bzw. giftigen Sperrgases in der inneren Dichtung ein aufwendiges Sperrflüssigkeitsentgasungssystem erforderlich machen. Ausserdem ergeben sich bei Flüssigkeitsdichtungen hohe mechanische Reibungsverluste, die den Einsatz einer Sperrflüssigkeit bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten sogar verhindern.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine gasgesperrte Wellendichtung zu schaffen, die den Verfahrensraum hermetisch abdichtet, Verformungen bei hohen Druckdifferenzen und Umfangsgeschwindigkeiten vermeidet und ein herkömmliches äusseres Dichtungssystem entbehrlich macht.

Es wurde gefunden, dass alle genannten Aufgaben erfin-dungsgemäss mit einer gasgesperrten Dichtung gelöst werden können, bei der ein weiterer feststehender Dichtring vorhanden ist, und dass der umlaufende Dichtring zwischen den beiden feststehenden Dichtringen angeordnet ist und jedem der beiden feststehenden Dichtringe je ein eigener Sperrgas-Zuführkanal zugeordnet ist, welcher wenigstens teilweise aus Bohrungen gebildet ist, die im Bereich der Dichtspalte zwischen umlaufendem und feststehendem Dichtring enden.

Durch die gleichzeitige Erzeugung von Reibungswärme auf beiden radialen Flächen des umlaufenden Dichtringes wird eine gleichmässigere Temperatur Verteilung und damit eine geringere Verformung des Umlaufringes durch Temperatureinflüsse bewirkt, was insbesondere bei hohen Um-fangsgeschwindigketen, bei denen grössere Reibungswärme im Sperrgas in der Dichtfläche erzeugt werden, von Bedeutung ist. Die Verformungen des Umlauf ringes durch Druckunterschiede werden dadurch weitgehend vermieden, dass an den radialen Dichtflächen des Umlaufringes beidseitig Axialkräfte angreifen, die sich gegenseitig weitgehend aufheben, so dass es zu keiner Verwölbung des Umlaufringes in axialer Richtung kommt. Ausserdem kann die anfallende Druckdifferenz zwischen Verfahrensgas und Aussenraum auf beide Sperrgasdichtungen aufgeteilt werden. Durch Wahl eines mit dem Aussenraum verträglichen Sperrgases in der äusseren Dichtung können auch hierfür die Vorteile eines geringen Sperrgasverbrauches bzw. der Fortfall einer Flüssigkeitsdichtung mit aufwendigem Sperrflüssigkeits-Entgasungssystem wirksam werden.

Das neue Dichtungssystem kann so ausgestaltet werden, dass an dem Umlaufring praktisch überhaupt keine Verformungskräfte mehr wirksam werden. Dies wird in einer zweckmässigen Ausgestaltung der Erfindung dadurch bewirkt, dass der Umlaufring zwischen zwei mit der Welle umlaufenden, nachgiebigen und zugleich dichtenden, jedoch keine Axialkräfte aufnehmenden Elementen angeordnet ist.

Die beidseitig des Umlaufringes im Bereich der radialen Dichtflächen angreifenden, vom axialen Federweg der Aufhängungen der nicht umlaufenden Dichtringe abhängigem Anpresskräfte können dabei dadurch selbsttätig ausgeglichen werden, dass der auf der Welle angeordnete Umlaufring eine axiale Stellung einnimmt, in der diese Kräfte sich gegenseitig aufheben.

Die fehlende axiale Belastung des Umlaufringes erlaubt den Einsatz von schmalen Ringen, so dass die Unwuchtkräfte reduziert werden und somit die maximal zulässige Drehzahl weit nach oben verschoben werden kann.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass vorteilhafterweise die Bohrungen für die Zuführung des Sperrgases in kreisbogenförmigen Ausnehmungen enden.

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Ausführungsbeispiele der erfinderischen gasgesperrten Wellendichtung sind in der Zeichnung dargestellt. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Wellendichtung in Verbindung mit einer Welle in Querschnittsdarstellung;

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Berührungsfläche des feststehenden Dichtringes mit kreisbogenförmigen Ausnehmungen;

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungs-gemässen Wellendichtung.

Eine rotierende Welle 4, beispielsweise eines Gasverdichters, ist aus einem unter Überdruck stehenden Gehäuse (nicht dargestellt) herausgeführt, wobei die Wellendichtung eine Abdichtung zwischen dem Arbeitsraum (obere Hälfte) und der Atmosphäre (untere Hälfte der Zeichnung) besorgt. Mit der Welle ist ein rotierender Dichtring 3 fest verbunden.

Im Bereich der Wellendichtung ist die Welle von einer Gehäusewand 10 umgeben, in die zwei Gehäuseflansche 5a und 5b zur Welle hin nach innen vorspringen. Die Gehäuseflansche sind im Querschnitt etwa L-förmig ausgebildet,

wobei ein Schenkel des L parallel zu der Gehäuseinnenwand liegt und mit dieser abgedichtet verbunden ist, und der andere Schenkel frei nach innen ragt.

Am freien Schenkel des Gehäuseflansches 5a bzw. 5b, die gegenüber dem feststehenden Dichtring 3 spiegelbüdlich angeordnet sind, sind Dichtmembranen 2a und 2b befestigt, die einen doppelten Zweck erfüllen. Zum einen bilden sie eine Abdichtung des torusförmigen Raumes zwischen Gehäuse und Welle; zum anderen ist in ihnen eine Federkraft gespeichert, die paarig angeordnet, feststehende Dichtringe la und lb auf den umlaufenden Dichtring 3 drücken, wobei die Anpressflächen zwischen den Dichtringen la und lb sowie 3 einen kleinen Abstand (Dichtspalt) aufweisen und unter Gasdruck stehen. Der Dichtspalt ermöglicht eine relative Bewegung der Dichtringe gegeneinander ohne nennenswerte Reibungsverluste.

Das oder die Sperrgase werden über Zuführungsleitungen herangeführt, die innerhalb der Gehäusewand mit einem ersten Zuführungskanal 6 bzw. 7 beginnen, der die Gehäusewand durchdringt. Die Zuleitungen zu der Gehäusewand von aussen her sind in der Zeichnung nicht dargestellt, da sie einem Fachmann bekannt sind. Das Sperrgas wird über weitere Bohrungen 11,12 hindurchgeleitet, die winklig durch die Gehäuseflansche 5a, 5b geführt sind. Am Ende der Bohrungen 11,12 sind kleine, gebogene Röhrchen 13,14 vorgesehen, die eine Verbindung zwischen der genannten Bohrung und einer weiteren Bohrung 15 bzw. 16 bilden, die in den feststehenden Dichtringen la, lb vorhanden sind. Die Bohrungen 15,16 enden im Bereich der bereits erwähnten Dichtspalte zwischen den Dichtringen la, lb bzw. 3. Vorzugsweise ist die Öffnung erweitert. Die Erweiterung kann so beschaffen sein, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Hierbei sind kreisbogenförmige Ausnehmungen 18 vorgesehen, die für eine bessere Verteilung und Abströmung der Sperrgase sorgen.

Die abströmenden Gase gelangen aus dem Dichtspalt zwischen den Dichtringen teilweise in den Raum 20 zwischen Dichtringen und Gehäusewand und von dort in einen gemeinsamen Ablasskanal 9. Der andere Teil gelangt in den Raum zwischen Welle und Dichtringen und von dort entweder in die Atmosphäre oder in Kontakt mit den arbeitsseitigen Gasen der jeweiligen Maschine, bei der die Wellendichtung eingesetzt ist.

Die Funktion der Wellendichtung ist aus der Fig. 1 erkennbar. Beispielsweise wird durch die Kanäle auf der verfah-rensseitigen Dichtungsstufe ein für das Verfahrensgas verträgliches Sperrgas eingedrückt. Die atmosphärenseitige Dichtungsstufe wird mit einem inerten Sperrgas betrieben,

das ohne Schaden in die Atmosphäre entweichen darf. Durch Vermischung dieses inerten Sperrgases mit dem aus dem ver-fahrensseitigen Dichtring in den Mischbereich gelangenden ev. explosiblen verfahrensseitigen Sperrgas werden gefährliche chemische Reaktionen ausgeschlossen. Das Sperrgasgemisch, das sich im Raum 20 ansammelt, wird abgezogen und unschädlich gemacht.

Bei der Zu- und Abführung der Sperrgase bzw. Spergas-gemische können Druckregler und Drosselventile eingesetzt werden. Beispielsweise ist möglich, ein Drosselventil 21 am Ende der Bohrung 15 innerhalb des Dichtringes lb einzusetzen. Ebenso ist möglich, Druckregler am Ende des Kanals 9 vorzusehen, der den Zwischendruck, der zwischen Verfahrensdruck und Atmosphärendruck eingeregelt wird, konstant hält.

Auf diese Weise ist möglich, einen zweistufigen Druckaufbau innerhalb der Dichtung bei Verwendung zweier verschiedener Sperrgase möglich zu machen. Eine aufwendige Flüssigkeitsdichtung wird vermieden, wobei totzdem eine hermetische Abdichtung bei geringen Sperrgasverbräuchen erreicht wird.

Bei üblichen Ausführungsformen werden mehr als zwei Zuführungskanalanordnungen um die Welle herum verteilt. Druckverhältnisse, Spaltbreiten und ähnliche Werte sowie Abmessungen ergeben sich aus den Notwendigkeiten und Erfahrungen für den jeweiligen Gegenstand. In einer anderen Ausführungsform (Fig. 3) ist die Wellendichtung so beschaffen, dass jeder der beiden feststehenden Ringe am Gehäuse gasdicht durch eine elastische Wand und der rotierende Dichtring gasdicht auf der Welle beidseitig durch federnde Hülsen befestigt ist, wobei die mit dem Verfahrensraum bzw. der Atmosphäre in Verbindung stehenden Räume zwischen der Welle und den feststehenden Ringen möglichst klein ausgelegt sind.

In der Figur ist in der oberen Hälfte der Verfahrensraum und in der unteren Hälfte die Atmosphäre zu suchen. Die rotierende Welle 4 ist mit einem rotierenden Dichtring 3' verbunden.

Im Bereich der Wellendichtung ist die Welle von der Gehäusewand 10 umgeben, in die die beiden Gehäuseflansche 5 a und 5b zur Welle hin nach innen vorspringen. Die Gehäuseflansche sind im Queschnitt ähnlich wie die der Fig. 1 ausgebildet. Am freien Schenkel des Gehäuseflansches 5a bzw. 5b, die gegenüber dem feststehenden Dichtring 3' spiegelbildlich angeordnet sind, sind Dicht-Membranen 2a und 2b befestigt, die einerseits eine Abdichtung des torusförmigen Raumes zwischen Gehäuse und Welle bilden. Zum anderen ist in ihnen ebenfalls eine Federkraft gespeichert, um die paarig angeordneten feststehenden Dichtringe la' und lb' auf den umlaufenden Dichtring 3' zu drücken, wobei die Anpressflächen zwischen den Dichtringen la und lb sowie 3' einen kleinen Abstand (Dichtspalt) aufweisen und unter Gasdruck stehen.

Das oder die Sperrgase werden über ähnliche Zuführungsleitungen herangeführt, wie diese bei der Fig. 1 bereits beschrieben worden sind. Es wird deshalb auf diese Figur verwiesen. Die Bohrungen 15, 16 enden im Bereich der Dichtspalte zwischen den Dichtringen. Die abströmenden Gase gelangen aus dem Dichtspalt zwischen den Dichtringen teilweise in den Raum 20 und von dort in einen gemeinsamen Ablasskanal 9. Der andere Teil gelangt in den Raum zwischen Welle und weiteren federnden Hülsen, insbesondere in den Raum 50, der im folgenden beschrieben wird.

Auf der Welle 4 sind mitdrehende, federnde Hülsen 40 über Befestigungsvorrichtungen 41 verbunden. Der umlaufende Ring ist über die federnden Hülsen 40 auf der Welle befestigt, mit der Welle 4 ist er nicht direkt verbunden. Er

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kann sich je nach der auf ihn wirkenden Druckbelastung auf der Welle axial einstellen.

Durch den Kanal 42 bzw. 43, der zum Verfahrensraum bzw. zur Atmosphäre gehört, stellt sich ein Druckgleichgewicht ein, das für einen Ausgleich der Kräfte sorgt. Die eingebauten Dichtungselemente werden dabei nicht verformt.

Dadurch, dass die Spalte zwischen den Dichtringen mittels des für jede Einzeldichtung gesonderten Sperrgase selbsttätig in ihrer Breite eingestellt werden kann, wird ein berührungsfreier Lauf der Dichtung garantiert. Der umlaufende 5 Dichtring 3' ist ebenfalls zwischen federnden Hülsen angeordnet und somit axial verschiebbar.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Gasgesperrte Wellendichtung mit einem feststehenden Dichtring und einem axial benachbart zu diesem angeordneten, mit der Welle umlaufenden Dichtring, sowie Federmitteln, die den feststehenden Dichtring auf den umlaufenden Dichtring drücken, und mit Zuführkanälen, die ein Sperrgas in den Bereich der Dichtspalten zwischen dem Dichtringen einerseits und den Dichtringen und der Welle andererseits leiten, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer feststehender Dichtring (lb) vorhanden ist, und dass der umlaufende Dichtring (3) zwischen den beiden feststehenden Dichtringen (la, lb) angeordnet ist und jedem der beiden feststehenden Dichtringe je ein eigener Sperrgas-Zuführkanal (6,12,14, 16; 7,11,13, 15) zugeordnet ist, welcher wenigstens teilweise aus Bohrungen gebildet ist, die im Bereich der Dichtspalte zwischen umlaufendem und feststehendem Dichtring enden.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem atmosphärenseitigen, feststehenden Dichtring ein vorzugsweise inertes, und dem verfahrensraumseiti-gen Dichtring ein inertes Sperrgas zugeführt ist, und gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Ablasskanal (9) für die verbrauchten Sperrgase.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Wellendichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (15,16) für die Zuführung des Sperrgases in kreisbogenförmigen Ausnehmungen (18) enden.

4. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden feststehenden Ringe (la', lb') an den Gehäuseteilen (5a, 5b) gasdicht durch eine elastische Wand (2a, 2b) und der rotierende Dichtring (3') gasdicht auf der Welle (4) beidseitig durch federnde Hülsen (40) befestigt sind.