CH668813A5 - GAS LOCKED AXIAL SHAFT SEAL. - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Die Erfindung betrifft eine gasgesperrte axiale Wellendichtung, insbesondere für Turboverdichtung und andere Turbomaschinen, bestehend aus einem mit der Welle rotierenden Wellenbund und einem nicht umlaufenden, axial beweglichen Gleitring mit einer Sperrgaseinspeisung in die Gleitfläche, wobei der Gleitring über zwei konzentrische Bälge mit einer feststehenden Wand in Verbindung steht und die Sperrgaszuführung zwischen den Bälgen erfolgt The invention relates to a gas-blocked axial shaft seal, in particular for turbo compression and other turbomachinery, consisting of a shaft collar rotating with the shaft and a non-rotating, axially movable slide ring with a sealing gas feed into the sliding surface, the slide ring having two concentric bellows with a fixed wall in Connection is established and the sealing gas is supplied between the bellows
Eine gasgesperrte Wellendichtung der genannten Art ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 21 34 964. Sie dient dazu, den Maschineninnenraum an der Wellendurchführung nach aussen hin bei ldeinstmöglicher Leckage berührungsfrei abzudichten bzw. unter geringstmöglichem Sperrgasdurchsatz ein Heraustreten eines Gases aus dem Innenraum zu verhindern. Die zulässigen Mengenströme sind dabei so klein, dass sie nur durch selbsteinstellende Axialdichtungen mit Spaltweiten von wenigen Hun-dertstelmillimetein realisiert werden können. A gas-sealed shaft seal of the type mentioned is known, for example, from DE-OS 21 34 964. It is used to seal the inside of the machine on the shaft bushing to the outside with the least possible leakage, or to prevent a gas from escaping from the interior with the lowest possible sealing gas throughput. The permissible flow rates are so small that they can only be achieved with self-adjusting axial seals with a gap width of a few hundredths of a millimeter.
Durch den Gleitring hindurch wird dabei - ungefähr in der Mitte seiner Gleitfläche - das Sperrgas in den Dichtspalt gedrückt, wodurch Wellenbund und Gleitring auf Distanz gehalten werden. Damit sich ein stabiler Spalt und ein sperrender Druckberg ausbilden können, muss der Gleitring durch eine äussere Kraft angedrückt werden. Zur Abdichtung der Rückseite des Gleitringes ist daher zwischen ihm und einer feststehenden Wand eine Balgdichtung aus zwei konzentrischen Bälgen angebracht, The sealing gas is pressed through the seal ring - approximately in the middle of its slide surface - into the sealing gap, which keeps the shaft collar and seal ring at a distance. In order for a stable gap and a blocking pressure mountain to form, the slide ring must be pressed on by an external force. To seal the back of the slide ring, a bellows seal made of two concentric bellows is attached between it and a fixed wall.
zwischen denen die Sperrgaszuführung derart erfolgt, dass die axiale Beweglichkeit des Gleitringes nicht behindert wird. between which the sealing gas is supplied in such a way that the axial mobility of the slide ring is not hindered.
Die Aufrechterhaltung eines berührungsfreien Spaltes stellt dabei grosse Anforderungen an die Ebenheit der Gleitfläche; Maintaining a non-contact gap places great demands on the flatness of the sliding surface;
5 diese Ebenheit wird durch unterschiedliche Wärmedehnungen beeinträchtigt, die nie ganz zu vermeiden sind, weil Dehnungsdifferenzen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzten Gleitringteile, also des eigentlichen Gleitringes und der Bälge, auftre-io ten. Der eigentliche Gleitring ist beispielsweise aus Wärmeleitungsgründen bevorzugt aus Leichtmetall, während die Bälge aus Festigkeitsgründen aus Stahl bestehen. Die unterschiedlichen Wärmedehnungen führen im allgemeinen zu einer konischen Ver-wölbung der Gleitfläche. 5 This flatness is impaired by different thermal expansions, which can never be completely avoided, because expansion differences occur due to different thermal expansion coefficients of the slide ring parts composed of different materials, that is, the actual slide ring and the bellows. The actual slide ring is preferred, for example, for heat conduction reasons Light metal, while the bellows are made of steel for strength reasons. The different thermal expansions generally lead to a conical curvature of the sliding surface.
15 Bei der bekannten Konstruktion sind die Bälge auf der Gleitringrückseite befestigt. Damit ergibt sich ein Bi-Metall-Element, bei dem die unterschiedlichen Wärmedehnungen von Gleitring und Bälgen bereits bei geringer Erwärmung eine unzulässige Ver-wölbung hervorrufen; denn wegen des Abstandes zur Mitte des 20 Gleitringes entsteht an der Verbindungsstelle ein Moment, das die Gleitringverwölbung hervorruft. Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Bildung eines «Verwölbungs»-Momentes zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfmdungsgemäss dadurch gelöst, dass die Bälge über ein Zwischenstück mit dem Gleitring verbunden 25 sind, und dass ferner die Verbindungsstelle des Zwischenstückes mit dem Gleitring mindestens annähernd im Flächenschwerpunkt der radialen Querschnittsflächen des Gleitringes angeordnet ist. 15 In the known construction, the bellows are attached to the back of the slide ring. This results in a bi-metal element, in which the different thermal expansions of the slide ring and bellows cause inadmissible warping even with slight heating; because due to the distance to the center of the slide ring, there is a moment at the connection point that causes the slide ring warping. The object of the invention is therefore to avoid the formation of a "warping" moment. This object is achieved according to the invention in that the bellows are connected 25 to the slide ring via an intermediate piece, and in that the connection point of the intermediate piece to the slide ring is arranged at least approximately in the center of gravity of the radial cross-sectional areas of the slide ring.
Der Verwendung eines Zwischenstückes, das - weil es mit den Bälgen verschweisst wird - vorzugsweise ebenfalls aus Stahl 30 besteht, ermöglicht es, die Verbindung zwischen dem eigentlichen Gleitring und den Bälgen, an der bei thermischen Belastungen die Kraftwirkung der unterschiedlichen Wärmedehnungen auftreten, mittels einer Nut in den Flächenschwerpunkt des Gleitringes zu verlegen. Dadurch wird die Entstehung von Verwölbungs-35 Momenten verhindert. Der Gleitring verformt sich bei Krafteinwirkungen somit nur rein radial und/oder axial, so dass die Gleitfläche eben bleibt. The use of an intermediate piece, which - because it is welded to the bellows - preferably also consists of steel 30, makes it possible to use a groove to connect the actual slide ring and the bellows, where the force effects of the different thermal expansions occur under thermal loads to be placed in the center of gravity of the slide ring. This prevents the occurrence of warping moments. The sliding ring thus deforms only under radial and / or axial force, so that the sliding surface remains flat.
Eine erste vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die Verbindung von Gleitring und Zwischenstück 40 durch radial vorgespannte O-Ringe erfolgt; dabei können die Querschnittsflächen der Gleitringausnehmung für die Aufnahme des Zwischenstückes und des Zwischenraumes zwischen den Bälgen vorteilhafterweise etwa gleich gross sein, wodurch sich die axialen Kräfte auf das Zwischenstück nahezu aufheben. Zusätzlich 45 ist es möglich, das Zwischenstück gegen axiale Verschiebungen in dem Gleitring zu sichern, wofür das Zwischenstück beispielsweise einen nach aussen gerichteten Ansatz aufweist, der im «normalen» Gleichgewichtszustand der Dichtung berührungsfrei in einen entsprechenden Schlitz des Gleitringes hineinragt. A first advantageous embodiment of the invention results if the connection of the sliding ring and the intermediate piece 40 takes place by means of radially prestressed O-rings; the cross-sectional areas of the slide ring recess for receiving the intermediate piece and the intermediate space between the bellows can advantageously be approximately the same size, as a result of which the axial forces on the intermediate piece are almost canceled out. In addition, it is possible to secure the intermediate piece against axial displacements in the slide ring, for which purpose the intermediate piece has, for example, an outward extension which, in the “normal” equilibrium state of the seal, projects into a corresponding slot of the slide ring without contact.
so Eine andere Möglichkeit für eine Axialsicherung ist gegeben, wenn die auf einer Seite in Rechtecknuten gelagerten 0-Ringe auf der Gegenseite in Ausnehmungen, beispielsweise winkelförmige Nuten, eingepresst sind. So there is another possibility for axial securing if the 0-rings, which are mounted in rectangular grooves on one side, are pressed into recesses, for example angular grooves, on the opposite side.
Eine weitere, zweckmässige Ausführungsform der Erfindung 55 ergibt sich, wenn die axiale Querschnittsfläche zwischen den Bälgen grösser ist als diejenige des Zwischenstückes, und wenn an der inneren Stirnseite des Zwischenstückes eine axiale Doppelsitzdichtung vorhanden ist; durch die Vergrösserung der Fläche des Balg-Zwischenraumes relativ zur Fläche der Nut im Gleitring 60 tritt eine Axialkraft auf, die die Doppelsitzdichtung in axialer Richtung gegen den Boden der Gleitringnut drückt. Another expedient embodiment of the invention 55 results if the axial cross-sectional area between the bellows is larger than that of the intermediate piece and if an axial double-seat seal is present on the inner end face of the intermediate piece; due to the enlargement of the area of the bellows gap relative to the area of the groove in the slide ring 60, an axial force occurs which presses the double seat seal in the axial direction against the bottom of the slide ring groove.
Eine andere, vorteilhafte Ausfuhrungsform für die Wellendichtung ergibt sich, wenn das hohlzylindrische Zwischenstück dünne, elastische Schenkel aufweist, die unter axialer Vorspan-65 nung und Innendruck in der Mitte der radialen Querschnittsflächen des Gleitringes gegen metallische Dichtflächen gedrückt sind, und wenn ferner eine axiale Fixierung des Zwischenstückes durch Radialstifte erfolgt. Another advantageous embodiment for the shaft seal is obtained if the hollow cylindrical intermediate piece has thin, elastic legs which are pressed against metallic sealing surfaces under axial tension and internal pressure in the middle of the radial cross-sectional areas of the slide ring, and if there is also an axial fixation the intermediate piece is done by radial pins.
3 3rd
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausfuhrungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. The invention is explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments in connection with the drawing.
Die Fîg. 1 bis 4 zeigen in Schnitten längs einer die Wellenachse enthaltenden Ebene vier verschiedene Ausfuhrungsformen der neuen Wellendichtung, wobei jeweils nur eine Hälfte der zur Wellenachse rotationssymmetrischen Anordnung dargestellt ist. The fîg. 1 to 4 show in sections along a plane containing the shaft axis four different embodiments of the new shaft seal, only one half of the arrangement rotationally symmetrical to the shaft axis being shown.
Die Welle 1, die in nicht dargestellten Lagern in einem festen Gehäuse 2 gelagert ist, trägt einen mitrotierenden Wellenbund 3. Die mit der Wellen-Durchtrittsöffnung 4 durch die feststehende Wand 5 des Gehäuses 2 in Verbindung stehende «Aussenseite» 10 ist gegen den Maschineninnenraum 11 mit Hilfe einer gasgesperrten Wellendichtung abgedichtet. Zu diesem Zweck wirken der Wellenbund 3 und ein nicht rotierender, jedoch axial beweglicher Gleitring 6 zusammen, der dem Bund 3 gegenübersteht und vorzugsweise wegen der Wärmeleitfähigkeit aus einer Leichtmetall-Legierung - zum Beispiel aus AI Mg 3 - gefertigt ist. Etwa in der Mitte der Gleitfläche 7 des Ringes 6 ist eine Nut 8 vorgesehen, der aus einer nicht gezeigten Druckgasquelle durch den Ring 6 hindurch von der Rückseite her Sperrgas zugeführt werden kann. Der erhöhte Druck des Sperrgases hebt zur Erzeugung eines Dichtspaltes 9 den axial beweglichen Gleitring 6 vom Wellenbund 3 ab, so dass die Dichtung berührungsfrei arbeitet. Wie durch Pfeile angedeutet, fliesst das Sperrgas von der Nut 8 nach beiden Seiten zur Aussenseite 10 bzw. in den Innenraum 11 ab. The shaft 1, which is mounted in a fixed housing 2 in bearings that are not shown, carries a rotating shaft collar 3. The “outside” 10 connected to the shaft passage opening 4 through the fixed wall 5 of the housing 2 is against the machine interior 11 sealed with the help of a gas-sealed shaft seal. For this purpose, the shaft collar 3 and a non-rotating, but axially movable slide ring 6 interact, which faces the collar 3 and is preferably made of a light metal alloy, for example of Al Mg 3, because of the thermal conductivity. Approximately in the middle of the sliding surface 7 of the ring 6, a groove 8 is provided which can be supplied with sealing gas from the rear side from a compressed gas source, not shown, through the ring 6. The increased pressure of the sealing gas lifts the axially movable slide ring 6 from the shaft collar 3 to produce a sealing gap 9, so that the seal operates without contact. As indicated by arrows, the sealing gas flows from the groove 8 to both sides to the outside 10 or into the interior 11.
Die Sperrgaszufuhr zum Gleitring 6 erfolgt zwischen zwei zur Wellenachse konzentrischen Bälge 12, die zum einen über ringförmige Vorsprünge 13, zwischen denen das Sperrgas durch das Gehäuse 2 leitende Bohrungen 15 enden, an der Wand 5 des Gehäuses 2 und zum anderen an einem Zwischenstück 14 gasdicht befestigt, zum Beispiel mit beiden Elementen verschweisst, sind. The sealing gas supply to the sliding ring 6 takes place between two bellows 12 which are concentric with the shaft axis and which are gas-tight on the wall 5 of the housing 2 and on an intermediate piece 14, on the one hand via annular projections 13, between which the sealing gas ends through the housing 2 attached, for example welded to both elements.
In den Gleitring 6 ist von der Rückseite her eine zylinderische Eindrehung 16 eingearbeitet, in die mit seitlichem Spiel das mit den Bälgen 12 verbundene Zwischenstück 14 eingesetzt ist; in diesem sind über den Umfang verteilt Längsbohrungen 35 für die Sperrgasströmung vorgesehen. In the slide ring 6, a cylindrical recess 16 is incorporated from the rear, into which the intermediate piece 14 connected to the bellows 12 is inserted with lateral play; in this, longitudinal bores 35 are provided for the sealing gas flow distributed over the circumference.
Erfingungsgemäss sind das Zwischenstück 14 und der Gleitring 6 mindestens nahezu in der Mitte der radialen Querschnittsflächen des Ringes 6 miteinander verbunden. According to the invention, the intermediate piece 14 and the slide ring 6 are connected to one another at least almost in the middle of the radial cross-sectional areas of the ring 6.
Diese Verbindung erfolgt in den Fig. 1 und 2 über O-Ringe 17, die in der genannten Hächenmitte das Zwischenstück 14 mit dem Gleitring 6 verbinden und dort sowohl abdichten als auch Wärmedehnungsdifferenzen elastisch überbrücken. Um ein Auswandern der Verbindungsstelle aus der Hächenmitte zu verhindern, sind annährend gleiche druckbeaufschlagte Hächen 18 und 19 zu beiden Seiten des Zwischenstückes 14 vorgesehen, womit in axialer Richtung ein annähernder Ausgleich der Kräfte angestrebt 5 wird. Zusätzlich ist als Sicherung gegen axiale Verschiebungen in Hg. 1 das Zwischenstück 14 mit einem radialen Ansatz 20 versehen; dieser ragt in eine Ausnehmung 21 im Gleitring 6, die von einer Abdeckung 22 verschlossen ist. Im «normalen» Betriebszustand «schwimmt» der Ansatz 20 dabei berührungsfrei in der i o Ausnehmung 21. This connection takes place in FIGS. 1 and 2 via O-rings 17, which connect the intermediate piece 14 to the slide ring 6 in the middle of the surface and there both seal and elastically bridge differences in thermal expansion. In order to prevent the connection point from migrating out of the middle of the rivet, approximately the same pressurized ridges 18 and 19 are provided on both sides of the intermediate piece 14, with the aim of approximately equalizing the forces in the axial direction 5. In addition, the intermediate piece 14 is provided with a radial projection 20 as a safeguard against axial displacements in FIG. 1; this protrudes into a recess 21 in the slide ring 6, which is closed by a cover 22. In the “normal” operating state, the attachment 20 “floats” in the recess 21 without contact.
Die Sicherung 20 bis 22 kann entfallen, wenn die 0-Ringe 17, die im Zwischenstück 14 in Rechtecknuten 24 gelagert sind, auf der Gleitringseite in eine kleine - zum Beispiel V-förmige - Nut 25 hineindrücken (Hg. 2). Dabei sollte, wie bei dem ersten Aus-15 führungsbeispiel nach Hg. 1, sichergestellt sein, dass durch annähernd gleiche Druckflächen 18 und 19 nur relativ geringe Axialkräfte auf das Zwischenstück einwirken. The securing 20 to 22 can be omitted if the 0-rings 17, which are mounted in the intermediate piece 14 in rectangular grooves 24, press into a small - for example V-shaped - groove 25 on the slide ring side (ed. 2). 1, it should be ensured that, due to approximately the same pressure surfaces 18 and 19, only relatively small axial forces act on the intermediate piece.
Wenn die Balgen-Zwischenraumfläche 19 ins Gewicht fallend grösser ist als die Gleitringnutfläche 18 (Fig. 3), ergibt sich durch 20 die HächendifFerenz 26 eine Axialkraft; diese kann auf einen axialen metallischen Sitz 27 drücken, wodurch zwischen dem Gleitring 6 und dem Zwischenstück 14 eine axiale Doppelsitzdichtung entsteht. Dadurch werden 0-Ringe entbehrlich; es besteht jedoch unter Umständen die Gefahr einer erhöhten Sperrgas-Leckage. 25 Das radiale Spiel 28 an der Verbindungsstelle von Ring 6 und Zwischenstück 14 wird bei dieser Ausführungsform so gewählt, dass es der Relativdehnung bei Betriebstemperatur entspricht, wodurch grössere Radialkräfte verhindert werden. If the bellows gap area 19 is larger in weight than the slide ring groove area 18 (FIG. 3), the axial difference 26 results in an axial force by 20; this can press on an axial metallic seat 27, whereby an axial double seat seal is formed between the slide ring 6 and the intermediate piece 14. This makes 0-rings unnecessary; however, there may be a risk of increased sealing gas leakage. 25 The radial clearance 28 at the junction of the ring 6 and the intermediate piece 14 is selected in this embodiment in such a way that it corresponds to the relative expansion at the operating temperature, as a result of which greater radial forces are prevented.
Bei Druckabfall des Sperrgases hebt der Gleitring 6 bei allen 30 dargestellten vertikalen und unter dem Wellenbund liegenden Anordnungen infolge seines Eigengewichtes vom Wellenbund 3 ab. Bei einer umgekehrten und gegebenenfalls bei horizontaler Einbaulage muss dieses Abheben durch Zugfedern 29 zwischen dem Gleitring 6 und der Gehäusewand 5 sichergestellt werden. 35 Bei dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 4 ist das Zwischenstück 14 von «oben» her so geschlitzt, dass eine Gabel mit zwei dünnen elastischen Schenkeln 30 entsteht, die in der Hächenmitte des Gleitringes 6 einerseits aufgrund einer Vorspannung und andererseits durch den Innendruck gegen Dichtflächen 31 an den 40 peripheren Wänden der Gleitringeindrehung 16 gepresst werden. Eine axiale Fixierung erfolgt durch über dem Umfang der Eindrehung 16 bzw. des Gleitringes 6 verteilte Radialstifte 32. In the event of a pressure drop in the sealing gas, the sliding ring 6 lifts off the shaft collar 3 in all 30 arrangements shown, which are below the shaft collar due to its own weight. In the case of an inverted and, if appropriate, horizontal installation position, this lifting must be ensured by tension springs 29 between the slide ring 6 and the housing wall 5. In the exemplary embodiment according to FIG. 4, the intermediate piece 14 is slotted from above so that a fork with two thin elastic legs 30 is formed, which in the middle of the area of the slide ring 6 is due to a preload on the one hand and due to the internal pressure against sealing surfaces 31 on the other hand are pressed on the 40 peripheral walls of the slide ring recess 16. Axial fixation takes place by radial pins 32 distributed over the circumference of the recess 16 or the slide ring 6.
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2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings
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